在隔離型DC/DC應(yīng)用中廣泛使用反激式轉(zhuǎn)換器已有多年，然而，它們卻未必是設(shè)計(jì)人員的首選。電源設(shè)計(jì)師選用反激式轉(zhuǎn)換器并不是因?yàn)樗鼈兛山档驮O(shè)計(jì)難度，而是迫于較低功率隔離要求的壓力，實(shí)乃不情愿之舉。由于控制環(huán)路中眾所周知的右半平面零點(diǎn)的原因，反激式轉(zhuǎn)換器存在穩(wěn)定性問題，而且光耦合器" title="光耦合器">光耦合器的傳播延遲、老化和增益變化還會(huì)使該問題進(jìn)一步復(fù)雜化。此外，反激式轉(zhuǎn)換器還需要專門花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行變壓器的設(shè)計(jì)，而由于可供選擇的市售變壓器品種有限且有可能需要定制變壓器，所以導(dǎo)致此項(xiàng)設(shè)計(jì)工作變得愈發(fā)復(fù)雜。不過，凌力爾特公司近期發(fā)布的LT3748" title="LT3748">LT3748隔離型反激式控制器" title="反激式控制器">反激式控制器解決了此類反激式設(shè)計(jì)的諸多難題。
新型反激式IC簡化了設(shè)計(jì)
首先，LT3748免除了增設(shè)光耦合器、副端基準(zhǔn)電壓和電源變壓器附加第三繞組的需要，同時(shí)保持了主端與副端之間的隔離（只有一部分必須橫跨隔離勢壘）。LT3748運(yùn)用了一種主端檢測方案，該方案能通過反激式變壓器主端開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形來檢測輸出電壓。在開關(guān)斷開期間，輸出二極管負(fù)責(zé)向輸出端提供電流，而輸出電壓被反射至反激式變壓器的主端。開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的數(shù)值是輸入電壓與反射輸出電壓之和 （LT3748 能夠重構(gòu)）。這種輸出電壓反饋技術(shù)在整個(gè)線路電壓輸入范圍、溫度范圍以及一個(gè) 2% 至 100% 的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于 ±5% 的總調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度。圖 1 示出了一款采用 LT3748 的反激式轉(zhuǎn)換器原理圖。
圖 1：采用主端輸出電壓檢測的 LT3748 反激式轉(zhuǎn)換器
LT3748 可接受一個(gè) 5V 至 100V 的輸入電壓，處于該范圍內(nèi)的輸入電壓可以直接施加至 IC，而無需使用一個(gè)串聯(lián)降壓電阻器。由于具有高電壓板上 LDO 并采用 MSOP-16 封裝 （去掉了 4 個(gè)引腳以實(shí)現(xiàn)額外的高壓引腳間隔），因此該器件能在高輸入電壓條件下可靠運(yùn)作。另外，這款器件的板上柵極驅(qū)動(dòng)器可為一個(gè)外部 NPN 電源開關(guān)供電，使得它能夠提供高達(dá) 50W 左右的功率 （其最大輸出功率取決于外部組件選擇、輸入電壓范圍和輸出電壓）。
此外，LT3748 所運(yùn)用的邊界模式操作進(jìn)一步簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并縮減了總體轉(zhuǎn)換器的外形尺寸和占板面積。LT3748 反激式轉(zhuǎn)換器在副端電流減小至零之后立即接通其內(nèi)部開關(guān)，并在開關(guān)電流達(dá)到預(yù)定電流限值時(shí)關(guān)斷。于是，它始終工作在連續(xù)導(dǎo)通模式 （CCM） 和不連續(xù)導(dǎo)通模式 （DCM） 的轉(zhuǎn)換之時(shí)，這通常被稱為邊界模式或臨界導(dǎo)通模式。該器件的其他特點(diǎn)包括可編程軟起動(dòng)、可調(diào)電流限值、欠壓閉鎖和溫度補(bǔ)償。輸出電壓由變壓器匝數(shù)比以及兩個(gè)與 RFB 和 RREF 引腳相連的外部電阻器設(shè)定。
主端輸出電壓檢測
隔離型轉(zhuǎn)換器的輸出電壓檢測通常需要一個(gè)光耦合器和副端基準(zhǔn)電壓。光耦合器用于通過光鏈路來傳送輸出電壓反饋信號(hào)，同時(shí)保持隔離勢壘。然而，光耦合器傳輸比會(huì)隨著溫度和老化而有所改變，從而使其準(zhǔn)確度下降。光耦合器還引入了一個(gè)傳播延遲，進(jìn)而導(dǎo)致較慢的瞬態(tài)響應(yīng) （因部件的不同可能是非線性的），這還會(huì)造成一款設(shè)計(jì)在不同的電路中表現(xiàn)出不同的特性。也可以采用一種使用附加變壓器繞組 （用于實(shí)現(xiàn)電壓反饋） 的反激式設(shè)計(jì)，以代替光耦合器對(duì)反饋環(huán)路實(shí)施補(bǔ)償。然而，這個(gè)附加的變壓器繞組會(huì)增加變壓器的尺寸和成本。
LT3748 通過檢測變壓器主端上的輸出電壓免除了增設(shè)一個(gè)光耦合器或附加變壓器繞組的需要。如圖2所示，輸出電壓可在功率晶體管關(guān)斷期間的主端開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形上準(zhǔn)確地測量，其中的N為變壓器的匝數(shù)比，VIN為輸入電壓，而VC為最大箝位電壓。
圖 2：典型的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形
邊界模式操作縮減轉(zhuǎn)換器尺寸并改善調(diào)節(jié)性能
邊界模式控制是一種可變頻率電流模式開關(guān)方案。當(dāng)內(nèi)部電源開關(guān)接通時(shí)，變壓器電流增加，直至達(dá)到其預(yù)設(shè)電流限值設(shè)定點(diǎn)為止。SW引腳上的電壓上升至“輸出電壓/變壓器副端-主端匝數(shù)比” + “輸入電壓”。當(dāng)流過二極管的副端電流減小至零時(shí)，SW引腳電壓下降至低于VIN。內(nèi)部DCM比較器檢測到這一情況并重新接通開關(guān)，從而重復(fù)該循環(huán)。
邊界模式在每個(gè)周期的末端使副端電流歸零，因而使得寄生阻性壓降不會(huì)引起負(fù)載調(diào)節(jié)誤差。此外，主端反激式開關(guān)始終在零電流時(shí)接通，而且輸出二極管沒有反向恢復(fù)損耗。功率損失的這種減少使得反激式轉(zhuǎn)換器能夠在一個(gè)較高的開關(guān)頻率下運(yùn)作，這反過來又縮減了變壓器的尺寸（相比于較低頻率的替代設(shè)計(jì)方案）。圖3顯示出了SW電壓和電流以及輸出二極管中的電流。
圖 3：邊界模式中的反激式轉(zhuǎn)換器波形
由于始終在二極管電流零交叉點(diǎn)上進(jìn)行反射輸出電壓的采樣，因此負(fù)載調(diào)節(jié)性能在邊界模式操作中得到了大幅度的改善。LT3748通?？商峁?plusmn;3%的負(fù)載調(diào)節(jié)。
在隔離型DC/DC應(yīng)用中廣泛使用反激式轉(zhuǎn)換器已有多年，然而，它們卻未必是設(shè)計(jì)人員的首選。電源設(shè)計(jì)師選用反激式轉(zhuǎn)換器并不是因?yàn)樗鼈兛山档驮O(shè)計(jì)難度，而是迫于較低功率隔離要求的壓力，實(shí)乃不情愿之舉。由于控制環(huán)路中眾所周知的右半平面零點(diǎn)的原因，反激式轉(zhuǎn)換器存在穩(wěn)定性問題，而且光耦合器的傳播延遲、老化和增益變化還會(huì)使該問題進(jìn)一步復(fù)雜化。此外，反激式轉(zhuǎn)換器還需要專門花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行變壓器的設(shè)計(jì)，而由于可供選擇的市售變壓器品種有限且有可能需要定制變壓器，所以導(dǎo)致此項(xiàng)設(shè)計(jì)工作變得愈發(fā)復(fù)雜。不過，凌力爾特公司近期發(fā)布的LT3748隔離型反激式控制器解決了此類反激式設(shè)計(jì)的諸多難題。
新型反激式IC簡化了設(shè)計(jì)
首先，LT3748免除了增設(shè)光耦合器、副端基準(zhǔn)電壓和電源變壓器附加第三繞組的需要，同時(shí)保持了主端與副端之間的隔離（只有一部分必須橫跨隔離勢壘）。LT3748運(yùn)用了一種主端檢測方案，該方案能通過反激式變壓器主端開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形來檢測輸出電壓。在開關(guān)斷開期間，輸出二極管負(fù)責(zé)向輸出端提供電流，而輸出電壓被反射至反激式變壓器的主端。開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的數(shù)值是輸入電壓與反射輸出電壓之和 （LT3748 能夠重構(gòu)）。這種輸出電壓反饋技術(shù)在整個(gè)線路電壓輸入范圍、溫度范圍以及一個(gè) 2% 至 100% 的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于 ±5% 的總調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度。圖 1 示出了一款采用 LT3748 的反激式轉(zhuǎn)換器原理圖。
圖 1：采用主端輸出電壓檢測的 LT3748 反激式轉(zhuǎn)換器
LT3748 可接受一個(gè) 5V 至 100V 的輸入電壓，處于該范圍內(nèi)的輸入電壓可以直接施加至 IC，而無需使用一個(gè)串聯(lián)降壓電阻器。由于具有高電壓板上 LDO 并采用 MSOP-16 封裝 （去掉了 4 個(gè)引腳以實(shí)現(xiàn)額外的高壓引腳間隔），因此該器件能在高輸入電壓條件下可靠運(yùn)作。另外，這款器件的板上柵極驅(qū)動(dòng)器可為一個(gè)外部 NPN 電源開關(guān)供電，使得它能夠提供高達(dá) 50W 左右的功率 （其最大輸出功率取決于外部組件選擇、輸入電壓范圍和輸出電壓）。
此外，LT3748 所運(yùn)用的邊界模式操作進(jìn)一步簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并縮減了總體轉(zhuǎn)換器的外形尺寸和占板面積。LT3748 反激式轉(zhuǎn)換器在副端電流減小至零之后立即接通其內(nèi)部開關(guān)，并在開關(guān)電流達(dá)到預(yù)定電流限值時(shí)關(guān)斷。于是，它始終工作在連續(xù)導(dǎo)通模式 （CCM） 和不連續(xù)導(dǎo)通模式 （DCM） 的轉(zhuǎn)換之時(shí)，這通常被稱為邊界模式或臨界導(dǎo)通模式。該器件的其他特點(diǎn)包括可編程軟起動(dòng)、可調(diào)電流限值、欠壓閉鎖和溫度補(bǔ)償。輸出電壓由變壓器匝數(shù)比以及兩個(gè)與 RFB 和 RREF 引腳相連的外部電阻器設(shè)定。
主端輸出電壓檢測
隔離型轉(zhuǎn)換器的輸出電壓檢測通常需要一個(gè)光耦合器和副端基準(zhǔn)電壓。光耦合器用于通過光鏈路來傳送輸出電壓反饋信號(hào)，同時(shí)保持隔離勢壘。然而，光耦合器傳輸比會(huì)隨著溫度和老化而有所改變，從而使其準(zhǔn)確度下降。光耦合器還引入了一個(gè)傳播延遲，進(jìn)而導(dǎo)致較慢的瞬態(tài)響應(yīng) （因部件的不同可能是非線性的），這還會(huì)造成一款設(shè)計(jì)在不同的電路中表現(xiàn)出不同的特性。也可以采用一種使用附加變壓器繞組 （用于實(shí)現(xiàn)電壓反饋） 的反激式設(shè)計(jì)，以代替光耦合器對(duì)反饋環(huán)路實(shí)施補(bǔ)償。然而，這個(gè)附加的變壓器繞組會(huì)增加變壓器的尺寸和成本。
LT3748 通過檢測變壓器主端上的輸出電壓免除了增設(shè)一個(gè)光耦合器或附加變壓器繞組的需要。如圖2所示，輸出電壓可在功率晶體管關(guān)斷期間的主端開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形上準(zhǔn)確地測量，其中的N為變壓器的匝數(shù)比，VIN為輸入電壓，而VC為最大箝位電壓。
圖 2：典型的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形
邊界模式操作縮減轉(zhuǎn)換器尺寸并改善調(diào)節(jié)性能
邊界模式控制是一種可變頻率電流模式開關(guān)方案。當(dāng)內(nèi)部電源開關(guān)接通時(shí)，變壓器電流增加，直至達(dá)到其預(yù)設(shè)電流限值設(shè)定點(diǎn)為止。SW引腳上的電壓上升至“輸出電壓/變壓器副端-主端匝數(shù)比” + “輸入電壓”。當(dāng)流過二極管的副端電流減小至零時(shí)，SW引腳電壓下降至低于VIN。內(nèi)部DCM比較器檢測到這一情況并重新接通開關(guān)，從而重復(fù)該循環(huán)。
邊界模式在每個(gè)周期的末端使副端電流歸零，因而使得寄生阻性壓降不會(huì)引起負(fù)載調(diào)節(jié)誤差。此外，主端反激式開關(guān)始終在零電流時(shí)接通，而且輸出二極管沒有反向恢復(fù)損耗。功率損失的這種減少使得反激式轉(zhuǎn)換器能夠在一個(gè)較高的開關(guān)頻率下運(yùn)作，這反過來又縮減了變壓器的尺寸（相比于較低頻率的替代設(shè)計(jì)方案）。圖3顯示出了SW電壓和電流以及輸出二極管中的電流。
圖 3：邊界模式中的反激式轉(zhuǎn)換器波形
由于始終在二極管電流零交叉點(diǎn)上進(jìn)行反射輸出電壓的采樣，因此負(fù)載調(diào)節(jié)性能在邊界模式操作中得到了大幅度的改善。LT3748通?？商峁?plusmn;3%的負(fù)載調(diào)節(jié)。
變壓器的選擇和設(shè)計(jì)考慮因素
就LT3748的成功應(yīng)用而言，變壓器的規(guī)格和設(shè)計(jì)可能是最為關(guān)鍵的部分了。除了處理高頻隔離型電源變壓器設(shè)計(jì)的常見注意事項(xiàng)（實(shí)現(xiàn)低漏電感和緊密耦合）之外，還必須嚴(yán)格控制變壓器的匝數(shù)比。由于變壓器副端上的電壓是由主端上的采樣電壓推知的，因此必須嚴(yán)格控制匝數(shù)比以確保獲得一致的輸出電壓。各變壓器之間±5%的匝數(shù)比容差有可能在輸出電壓中產(chǎn)生超過±5%的變化。幸運(yùn)的是，大多數(shù)磁性元件制造商都能夠保證±1%或更好的匝數(shù)比容差指標(biāo)。
凌力爾特公司與主要的磁性元件制造商進(jìn)行了合作，以生產(chǎn)供LT3748使用的預(yù)設(shè)計(jì)型反激式變壓器。這些變壓器一般能夠承受1500VAC的主端至副端擊穿電壓（持續(xù)時(shí)間為一分鐘）。也可以使用擊穿電壓更高的變壓器和定制變壓器。
另外，凌力爾特還提供了名為“LTspice”的免費(fèi)仿真軟件。
變壓器漏電感
在電源開關(guān)斷開之后，變壓器主端或副端上的漏電感會(huì)在主端上引發(fā)一個(gè)電壓尖峰。在必須消耗更多儲(chǔ)能的較高負(fù)載電流條件下，該電壓尖峰將變得愈發(fā)突出。通過變壓器繞組的緊密耦合可以最大限度地減小漏電感，并可通過讀出一個(gè)變壓器繞組上的電感（使其他繞組短路）來測量漏電感。
下面圖4中示出的簡單RCD（電阻器、電容器和二極管）箝位電路可防止漏電感尖峰超過功率器件的擊穿電壓。所有的LT3748應(yīng)用電路中都包括此電路，而肖特基二極管則因其快速接通時(shí)間而常常成為吸振器的最佳選擇。
圖 4：RCD 箝位電路
圖 5：LT3748 應(yīng)用電路的照片 （尺寸：38mm x 19mm x 9.5mm）
圖 5 示出了一款采用LT3748的演示電路板。該電路可接受一個(gè)范圍從22V至75V的輸入電壓，并在高達(dá)2.5A的電流條件下產(chǎn)生一個(gè)隔離型12V輸出。
結(jié)論
盡管隔離型反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來說并不簡單，但是除了采用模塊或復(fù)雜的分立式實(shí)現(xiàn)方案之外，如今我們有了一種替代方案。基于LT3748的電路無需光耦合器、副端基準(zhǔn)電壓和電源變壓器的附加第三繞組，因而顯著地簡化了隔離型反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。該器件保持了主端至副端隔離（只有一部分橫跨隔離勢壘）。容易購置的市售變壓器避免了采用定制變壓器的需要。LT3748具有一個(gè)5V至100V的工作輸入電壓范圍，并能夠提供高達(dá)50W左右的連續(xù)輸出功率，從而使其成為眾多電信、數(shù)據(jù)通信和工業(yè)應(yīng)用的合適之選。
作者： Bruce Haug
電源產(chǎn)品部門產(chǎn)品營銷工程師
凌力爾特公司