稀奇事!減少組件數量的隔離式DC/DC轉換器
發布時間:2015-03-13 責任編輯:echolady
【導讀】經過了數年的發展和變化,高密度隔離式DC/DC電源轉換器發(fa)橫(heng)了(le)明(ming)顯(xian)的(de)變(bian)化(hua)。很(hen)多(duo)的(de)設(she)計(ji)公(gong)司(si)為(wei)求(qiu)標(biao)新(xin)立(li)異(yi),設(she)計(ji)自(zi)己(ji)獨(du)有(you)的(de)磁(ci)性(xing)組(zu)件(jian),拓(tuo)撲(pu)和(he)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)。正(zheng)因(yin)如(ru)此(ci),轉(zhuan)換(huan)器(qi)種(zhong)類(lei)逐(zhu)漸(jian)增(zeng)多(duo),功(gong)能(neng)多(duo)樣(yang)。然(ran)而(er),本(ben)文(wen)要(yao)向(xiang)大(da)家(jia)介(jie)紹(shao)的(de)是(shi)減(jian)少(shao)了(le)組(zu)件(jian)數(shu)量(liang)的(de)隔(ge)離(li)式(shi)正(zheng)向(xiang)DC/DC轉換器。
事實上,一個隔離反激式轉換器的設計可以用不到 15 個組件完成,而一個隔離式正向轉換器的設計僅需不到 20 個組件。在這種可采用特定於應用的控製器和單片式器件的新時代,設計師有可能以不同方式開發隔離式 DC/DC 轉換器。MOSFET 切換性能、VDS 額定值和 RDS(ON) 的改進也有助於更方便地完成分立式設計。此外,有些設計在反饋回路中也不再需要用光耦合器調節輸出電壓了。
不僅是必須滿足 48V 隔離要求的電信和數據通信應用,多種 DC/DC 轉換器應用也需要隔離式輸出。對於需要隔離地與有噪聲輸入電壓的噪聲敏感設備,隔離可能是必不可少的,例如汽車電池、中間總線和工業輸入應用。顯示器、可編程邏輯控製器 (PLC)、GPS 係統以及某些醫療監視設備可能都會受到有噪聲總線電壓的負麵影響。體檢影像設備、牙科儀器、shuimianheshengmingtizhengjianshiqidengdouyouxianshiqi,douyoukenengshoudaoyouzaoshengdianyuandianyadefumianyingxiang。gelishidianyuantigongdedigelikeyixiaochuyoukenengyinqixianshiyichangdezaosheng。
一種新的發展方向
淩力爾特可提供全係列的特定拓撲控製器,這些器件可用於隔離式高密度 DC/DC 轉換器,適合反激式、正向、推挽、全(quan)波(bo)橋(qiao)式(shi)拓(tuo)撲(pu),有(you)的(de)版(ban)本(ben)有(you)同(tong)步(bu)整(zheng)流(liu),有(you)的(de)則(ze)沒(mei)有(you),有(you)些(xie)使(shi)用(yong)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi),有(you)些(xie)則(ze)運(yun)用(yong)變(bian)壓(ya)器(qi)閉(bi)合(he)反(fan)饋(kui)環(huan)路(lu)。這(zhe)些(xie)器(qi)件(jian)有(you)兩(liang)種(zhong)基(ji)本(ben)的(de)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)範(fan)圍(wei),一(yi)種(zhong)麵(mian)向(xiang)工(gong)業(ye)市(shi)場(chang) (9V 至 32V),另一種麵向電信 / 數據通信市場 (36V 至 75V),還有一些在 18V 至 75V 輸入電壓範圍內工作。淩力爾特已經針對所有這些拓撲和輸入電壓範圍預製了設計,這些設計的輸出電壓範圍為 1.2V 至 48V。用戶可以獲得演示電路板、電氣原理圖以及用料單和用於 PCB 設計的 Gerbers 文件。《快速入門指南》提供各種性能曲線,包括負載 / 電壓調節、紋波和噪聲、效率和瞬態響應等。
隔離式高密度 DC/DC 轉換器最常采用的拓撲之一是正向轉換器。淩力爾特提供單開關和雙開關正向控製器,這些控製器與主邊和副邊 IC 一起使用,實現對同步 MOSFET 的控製、定時和驅動。最新控製器 IC 提供了簡單性、高效率和快速瞬態響應,降壓型轉換器設計師長期以來一直從中受益匪淺,這些控製器 IC 還具備同步整流和多相交錯功率級。不過,這些功能現在也可用於正向轉換器了,不久前推出的 LT8310 就是一個很好的例子,這款器件可用來構成組件數量較少的應用。實際上,以下圖 1 所示 LT8310 僅用了 20 個外部組件,就組成了一個完整的隔離式正向轉換器,並可提供高達 78W 的輸出功率。

圖 1:LT8310 隔離式正向轉換器僅使用 20 個外部組件就可從 48V 輸入提供 12V/6.5A 輸出
圖 1 所示電路從標稱 48V 輸入在高達 6.5A 產生 12V 輸出,效率為 92%。這款具備諧振複位功能的主邊正向控製器在 6V 至 100V 的輸入電壓範圍內工作,並針對高達 200W 的功率水平。該器件可用於同步和非同步應用。就同步工作而言,LT8310 通過一個脈衝變壓器向副邊 MOSFET 驅動器發送控製信號,以實現同步整流定時。同步設計對於較高功率或較低輸出電壓的應用最有利。無需使用光耦合器就可實現 ±8% 的輸出電壓穩定度,如圖 2 所示。

圖 2:圖 1 原理圖中 LT8310 的輸出電壓穩定度 (VOUT 為 12V)
[page] 當使用光耦合器時,可以實現 ±1.5% 的穩定度。可編程伏秒箝位為變壓器複位提供了保障,可防止飽和並保護 MOSFET。這個功能允許優化變壓器和 MOSFET,從而減小解決方案尺寸,並降低其成本。
無需光耦合器,LT8310 的伏秒箝位就可定義 VOUT,從而簡化了設計,降低了隔離式應用的成本。在有輸出電壓反饋 (光隔離或直接連線) 的(de)應(ying)用(yong)中(zhong),伏(fu)秒(miao)箝(qian)位(wei)設(she)定(ding)為(wei)高(gao)於(yu)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)自(zi)然(ran)占(zhan)空(kong)比(bi),以(yi)提(ti)供(gong)安(an)全(quan)的(de)占(zhan)空(kong)比(bi)範(fan)圍(wei),防(fang)止(zhi)變(bian)壓(ya)器(qi)在(zai)負(fu)載(zai)瞬(shun)態(tai)時(shi)飽(bao)和(he)。就(jiu)非(fei)隔(ge)離(li)式(shi)應(ying)用(yong)而(er)言(yan),LT8310 提供一個電壓誤差放大器以及具正和負基準的反饋引腳,因此能夠實現提供正或負輸出電壓、非常簡單且完全穩定的正向轉換器。其他特點包括可編程過流保護、可調輸入欠壓、過壓閉鎖和內置過熱停機功能。LT8310 以 100kHz 至 500kHz 的可編程開關頻率工作,可同步至一個外部時鍾,從而能夠使用多種電感值的輸出電感器和多種尺寸的變壓器。LT8310 采用去掉了幾個引腳的 TSSOP-20 封裝,以提供高壓間隔。
反激式設計
對於甚至在較低功率水平的更簡單隔離式 DC/DC 轉換器解決方案,可以采用反激式拓撲。反激式轉換器多年來一直廣泛用於隔離式 DC/DC 應(ying)用(yong),然(ran)而(er)這(zhe)類(lei)轉(zhuan)換(huan)器(qi)未(wei)必(bi)是(shi)設(she)計(ji)師(shi)的(de)首(shou)選(xuan)。電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)師(shi)通(tong)常(chang)被(bei)迫(po)選(xuan)擇(ze)反(fan)激(ji)式(shi)轉(zhuan)換(huan)器(qi),是(shi)因(yin)為(wei)必(bi)須(xu)滿(man)足(zu)較(jiao)低(di)功(gong)率(lv)的(de)隔(ge)離(li)需(xu)求(qiu),而(er)不(bu)是(shi)因(yin)為(wei)這(zhe)類(lei)轉(zhuan)換(huan)器(qi)更(geng)易(yi)於(yu)設(she)計(ji)。由(you)於(yu)眾(zhong)所(suo)周(zhou)知(zhi)的(de)控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)右(you)半(ban)平(ping)麵(mian)零(ling)點(dian)問(wen)題(ti),反(fan)激(ji)式(shi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)存(cun)在(zai)穩(wen)定(ding)性(xing)問(wen)題(ti),而(er)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)的(de)老(lao)化(hua)和(he)增(zeng)益(yi)變(bian)化(hua)使(shi)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)進(jin)一(yi)步(bu)複(fu)雜(za)化(hua)。反(fan)激(ji)式(shi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)需(xu)要(yao)將(jiang)大(da)量(liang)時(shi)間(jian)用(yong)於(yu)變(bian)壓(ya)器(qi)設(she)計(ji),而(er)現(xian)成(cheng)有(you)售(shou)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)可(ke)選(xuan)範(fan)圍(wei)有(you)限(xian),還(hai)有(you)可(ke)能(neng)必(bi)須(xu)定(ding)製(zhi)變(bian)壓(ya)器(qi),這(zhe)又(you)使(shi)這(zhe)種(zhong)設(she)計(ji)任(ren)務(wu)變(bian)得(de)更(geng)加(jia)複(fu)雜(za)了(le)。不(bu)過(guo),電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)技(ji)術(shu)領(ling)域(yu)的(de)最(zui)新(xin)進(jin)步(bu)已(yi)經(jing)使(shi)得(de)較(jiao)低(di)功(gong)率(lv)隔(ge)離(li)式(shi)轉(zhuan)換(huan)更(geng)易(yi)於(yu)設(she)計(ji)。例(li)如(ru),淩(ling)力(li)爾(er)特(te)不(bu)久(jiu)前(qian)推(tui)出(chu)的(de) LT8302 隔離反激式轉換器。
首先,LT8302 無(wu)需(xu)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)和(he)副(fu)邊(bian)基(ji)準(zhun)電(dian)壓(ya),無(wu)需(xu)電(dian)源(yuan)變(bian)壓(ya)器(qi)額(e)外(wai)提(ti)供(gong)第(di)三(san)個(ge)繞(rao)組(zu),僅(jin)用(yong)一(yi)個(ge)組(zu)件(jian),即(ji)跨(kua)隔(ge)離(li)勢(shi)壘(lei)的(de)電(dian)源(yuan)變(bian)壓(ya)器(qi),就(jiu)可(ke)以(yi)保(bao)持(chi)主(zhu)副(fu)邊(bian)之(zhi)間(jian)的(de)隔(ge)離(li)。LT8302 采(cai)用(yong)主(zhu)邊(bian)檢(jian)測(ce)方(fang)法(fa),這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)能(neng)夠(gou)通(tong)過(guo)反(fan)激(ji)的(de)主(zhu)邊(bian)開(kai)關(guan)節(jie)點(dian)波(bo)形(xing)檢(jian)測(ce)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。在(zai)開(kai)關(guan)關(guan)斷(duan)時(shi),輸(shu)出(chu)二(er)極(ji)管(guan)向(xiang)輸(shu)出(chu)提(ti)供(gong)電(dian)流(liu),輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)反(fan)射(she)回(hui)反(fan)激(ji)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)主(zhu)邊(bian)。開(kai)關(guan)節(jie)點(dian)電(dian)壓(ya)的(de)幅(fu)度(du)是(shi)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)與(yu)反(fan)射(she)回(hui)來(lai)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)之(zhi)和(he),LT8302 能夠重建這一電壓。這種輸出電壓反饋方法能夠在整個電壓、負載和溫度變化範圍內產生好於 ±5% 的總體穩定度。圖 3 顯示了一個反激式轉換器原理圖,該電路采用 LT8302,且僅使用了 14 個外部組件。

圖 3:具主邊輸出電壓檢測功能的 LT8302 反激式轉換器
LT8302 采用耐熱增強型 SO-8 封裝,接受 2.8V 至 42V 輸入電壓。其堅固的內置 3.6A、65V DMOS 電源開關允許該器件提供高達約 18W 的輸出功率。
此外,LT8302 在輕負載時以低紋波突發模式 (Burst Mode?) 工作,將靜態電流降至僅為 106μA,這在備用模式、輸出電壓處於穩定狀態時,延長了電池運行時間。其他特點包括內部軟啟動和欠壓閉鎖。變壓器匝數比和 1 個外部電阻器就是設定輸出電壓所需的全部。
主邊輸出電壓檢測
jiugelishizhuanhuanqieryan,shuchudianyajiancetongchangxuyaoyigeguangouheqihefubiancankaodianya。guangouheqitongguoguanglianlufasongshuchudianyafankuixinhao,tongshibaochigelishilei。buguo,guangouheqichuanshubisuiwendubianhuahelaohuaergaibian,zhehuijiangdiqizhunquedu。guangouheqichanpinzhijianhaikenengshifeixianxingde,zhedaozhidianluzhijiandezengyi/xiangweitexingbutong。caiyongyigeewaidebianyaqiraozushixiandianyafankuidefanjishishejiyekeyiyonglaibihefankuihuanlu。danshi,zhegeewaidebianyaqiraozuzengdalebianyaqidechicunhechengben,erqiebunengtigonghenhaodeshuchudianyatiaojie。
LT8302 通tong過guo檢jian測ce變bian壓ya器qi主zhu端duan的de輸shu出chu電dian壓ya而er無wu需xu光guang耦ou合he器qi或huo額e外wai的de變bian壓ya器qi繞rao組zu。功gong率lv晶jing體ti管guan關guan斷duan時shi,在zai主zhu邊bian開kai關guan節jie點dian波bo形xing上shang可ke以yi準zhun確que地di測ce量liang輸shu出chu電dian壓ya,如ru圖tu 4 所示,其中 N 是變壓器的匝數比,VIN 是輸入電壓,VC 是最高箝位電壓。

圖 4:LT8302 的典型開關節點波形
變壓器選擇與設計時須考慮的因素
對於成功應用 LT8302 而(er)言(yan),變(bian)壓(ya)器(qi)性(xing)能(neng)規(gui)格(ge)及(ji)設(she)計(ji)也(ye)許(xu)是(shi)最(zui)關(guan)鍵(jian)的(de)部(bu)分(fen)。在(zai)設(she)計(ji)泄(xie)漏(lou)電(dian)感(gan)很(hen)低(di)且(qie)緊(jin)耦(ou)合(he)的(de)高(gao)頻(pin)隔(ge)離(li)式(shi)電(dian)源(yuan)變(bian)壓(ya)器(qi)時(shi),除(chu)了(le)通(tong)常(chang)列(lie)舉(ju)的(de)各(ge)種(zhong)注(zhu)意(yi)事(shi)項(xiang),還(hai)必(bi)須(xu)嚴(yan)格(ge)控(kong)製(zhi)變(bian)壓(ya)器(qi)匝(za)數(shu)比(bi)。因(yin)為(wei)變(bian)壓(ya)器(qi)副(fu)邊(bian)電(dian)壓(ya)是(shi)靠(kao)主(zhu)邊(bian)采(cai)樣(yang)電(dian)壓(ya)推(tui)斷(duan)的(de),所(suo)以(yi)匝(za)數(shu)比(bi)必(bi)須(xu)嚴(yan)格(ge)控(kong)製(zhi),以(yi)確(que)保(bao)一(yi)致(zhi)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。
結語
由於特定於應用的控製 IC 廣泛可用,因此用戶無需像幾年前那樣需要很長的開發周期,就可以設計自己的高密度 DC/DC zhuanhuanqi。youyunenggoushejizijidegelishidianyuanzhuanhuanqi,yinciyonghunenggouquanmiankongzhishejiliuchenghezujianxuanze,congernenggouzengjiabiaozhunchanpinbukenengtigongdetedinggongneng,erqieyonghuhaichangchangnenggoushixiangengdidezongtichengben。suizhetedingyutuopudekongzhiqi、現成有售平麵磁性組件、特定於應用的電路、演示電路板和有關 Gerber 文件的出現,用戶可獲得全線電源轉換設計,從而更容易設計和開發他們自己的隔離式 DC/DC 轉換器。
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