電動汽車、大型儲能電池組、家庭自動化、工業(yè)和電信電源都需要將高電壓轉(zhuǎn)換為±12 V，以滿足為放大器、傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和工業(yè)過程控制器供電的雙極性電源軌需求。所有這些系統(tǒng)中的挑戰(zhàn)之一是構(gòu)建一個緊湊、高效的雙極性穩(wěn)壓器，它的工作溫度范圍為-40°C至+ 125°C，這在汽車和其他高環(huán)境溫度應(yīng)用中尤為重要。
線性穩(wěn)壓器已廣為人知，并且通常位列雙極性電源備選方案的首位，但它不適用于上述高輸入電壓、低輸出電壓的應(yīng)用，這主要是由線性穩(wěn)壓器在高降壓比下的散熱所導(dǎo)致。此外，雙極性解決方案至少需要兩個集成電路(IC)：一個正輸出線性穩(wěn)壓器和一個負(fù)輸出轉(zhuǎn)換器。更好的解決方案是使用單個開關(guān)穩(wěn)壓器，該開關(guān)穩(wěn)壓器從較高的輸入產(chǎn)生兩個輸出，并具有良好的效率和調(diào)節(jié)性能，同時還能適用于狹小空間并降低成本。
本文介紹了兩種精簡電路，它們均使用單個高電壓LT8315轉(zhuǎn)換器，可由30V至400V的寬輸入電壓范圍產(chǎn)生±12V輸出。一個電路是隔離型反激式拓?fù)?，另一個則是非隔離型降壓拓?fù)洹T8315本身是一款高電壓單芯片轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置集成630 V/300 mA MOSFET、控制電路和高電壓啟動電路，采用耐熱增強(qiáng)型20引腳TSSOP封裝。
無需光耦合器的隔離型雙極性反激式穩(wěn)壓器
反激式轉(zhuǎn)換器廣泛用于多輸出應(yīng)用，以提供電氣隔離、改善安全性并增強(qiáng)抗擾性。輸出可以為正，亦可為負(fù)，具體取決于輸出的哪一端接地。傳統(tǒng)上，采用光耦合器將信息從副邊基準(zhǔn)電壓源電路傳輸至原邊，以此來實現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)。問題在于，由于傳播延遲、老化和增益變化等原因，光耦合器會大大增加復(fù)雜性并降低可靠性。通常，連接至IC反饋引腳的輸出在調(diào)節(jié)回路中占主導(dǎo)地位，而其他輸出則通過變壓器繞組進(jìn)行松散控制，導(dǎo)致這些輸出的調(diào)節(jié)性能不良。
LT8315無需使用光耦合器，它從電源變壓器的第三繞組采樣反激回來的隔離輸出電壓。此外，它在副邊電流幾乎為零時亦可檢測到輸出電壓，以實現(xiàn)出色的負(fù)載調(diào)整。在雙輸出設(shè)計中，這種特殊的檢測方案允許嚴(yán)密調(diào)節(jié)每個輸出（兩個輸出都能主導(dǎo)調(diào)節(jié)）。因此，典型的±5%負(fù)載調(diào)節(jié)非常易于實現(xiàn)。
圖1所示的LT8315解決方案在準(zhǔn)諧振邊界傳導(dǎo)模式下工作。原邊MOSFET具有很低的導(dǎo)通損耗，這是因為當(dāng)開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴達(dá)到其谷值時，MOSFET才導(dǎo)通。副邊沒有二極管反向恢復(fù)損耗。3 kV增強(qiáng)絕緣變壓器是整個隔離柵上唯一的組件，它可提升系統(tǒng)可靠性并滿足嚴(yán)格的高壓電源隔離要求。圖2顯示了不同輸入電壓下的滿載效率曲線。當(dāng)輸入為70 V且兩個負(fù)載電流均為50 mA時，該反激式轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)85.3%的峰值效率。
圖1顯示了一款具有30 V至400 V寬輸入范圍的反激式轉(zhuǎn)換器的完整原理圖。它的輸出為±12 V，并可在負(fù)載電流為5 mA至50 mA時保持非常準(zhǔn)確的控制。該反激式轉(zhuǎn)換器的峰值效率為85.3%，如圖2所示。
圖1.一款用于30 V至400 V寬輸入范圍的完整±12 V/50 mA隔離型反激式轉(zhuǎn)換器。
圖2.圖1所示反激式轉(zhuǎn)換器的滿載效率與輸入電壓的關(guān)系。
圖3.使用單個LT8315 IC的非隔離型雙電感降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖：從30 V至400 V輸入轉(zhuǎn)換至±12 V輸出（每路30 mA）。
采用單個IC從30 V至400 V輸入產(chǎn)生隔離或非隔離±12 V輸出
采用雙電感的非隔離型雙極性降壓穩(wěn)壓器
LT8315具備高電壓輸入能力，只需借助現(xiàn)成的電感，即可以應(yīng)用于非隔離型解決方案。圖3顯示了一款采用雙電感的降壓穩(wěn)壓器，僅需幾個組件。該轉(zhuǎn)換器可接受的輸入電壓范圍很寬（-30 V至400 V），并能產(chǎn)生±12 V/30 mA的輸出。當(dāng)輸入為30 V時，該電路的兩個輸出均可實現(xiàn)滿載條件下高達(dá)87%的效率。
在這種拓?fù)渲?，LT8315的GND焊盤特意未接地，而是連接作為驅(qū)動兩個輸出的公共開關(guān)節(jié)點(diǎn)。在PCB布局時，應(yīng)將LT8315的GND焊盤尺寸限制在裸露焊盤面積內(nèi)，以減少對其他組件的電磁干擾，因為GND走線是該拓?fù)渲性肼曄鄬^高的開關(guān)節(jié)點(diǎn)。二極管D2與FB引腳上的兩個1%電阻形成反饋路徑，以調(diào)節(jié)正輸出電壓。每當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時，為防止FB引腳放電，D2必不可少。電阻分壓器無需考慮D2的正向壓降，因為D2和D3的正向電壓相等并且可以互相抵消；因此，反饋網(wǎng)絡(luò)會跟蹤并嚴(yán)密調(diào)節(jié)正輸出電壓。
負(fù)軌包括低電壓耦合電容CFLY、第二電感L2、環(huán)流二極管D4和負(fù)輸出電容CO2。根據(jù)CO1-L1-CFLY-L2電路回路的電感伏秒平衡，L1和L2兩端的平均電壓為零，因此耦合電容CFLY的電壓等于正輸出電壓。CFLY在MOSFET導(dǎo)通期間為L2充電，而D4在MOSFET關(guān)斷期間為L2提供放電路徑。負(fù)輸出電壓基于CFLY電壓（保持恒定并等于正輸出電壓）間接調(diào)節(jié)。如圖4的調(diào)節(jié)曲線所示，當(dāng)正輸出電壓負(fù)載為滿載30 mA時，對于不同的輸入電壓，負(fù)輸出電壓在3 mA至30 mA的負(fù)載范圍內(nèi)保持±5%的調(diào)節(jié)率。
圖4.圖3所示雙電感降壓轉(zhuǎn)換器在各種輸入電壓下的負(fù)12V負(fù)載調(diào)整曲線。
結(jié)論
本文介紹了兩種適用于30 V至400 V寬輸入范圍的雙極性轉(zhuǎn)換器解決方案：一種是隔離型，另一種是非隔離型。LT8315同時適用于這兩種方案，因為它內(nèi)置高壓集成MOSFET和高壓啟動電路，無需光耦合器反饋回路。該器件的其他特性還包括低紋波突發(fā)模式(Burst Mode?)工作、軟啟動、可編程電流限制、欠壓鎖定、溫度補(bǔ)償和低靜態(tài)電流。LT8315的高集成度簡化了多種應(yīng)用領(lǐng)域的高壓輸入和雙極性輸出電路的設(shè)計。
作者簡介
Zhijun (George) Qian是ADI公司高級工程師。他負(fù)責(zé)各種非隔離和隔離轉(zhuǎn)換器的電源產(chǎn)品應(yīng)用。他擁有浙江大學(xué)電力電子學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位以及中佛羅里達(dá)大學(xué)電力電子博士學(xué)位。他于2010年加入凌力爾特（現(xiàn)在已成為ADI的一部分）。
William Xiong于2017年畢業(yè)于加州理工大學(xué)（圣路易斯-奧比斯波），獲電氣工程學(xué)士學(xué)位。他于2017年7月開始在ADI公司擔(dān)任應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)降壓、升壓和隔離型拓?fù)洌ɡ绶醇な胶驼な睫D(zhuǎn)換器）。