反激式轉換器簡化隔離式電源設計

引言

曾經需要一個簡單的低功率隔離式內務處理電源、又不想買現成有售的磚或模塊嗎?制造或購買決策取決于很多因素，但是簡單性、解決方案尺寸、價格和性能對于走哪條路有重大影響。包括某些醫療系統在內的幾種類型應用需要具備輸入至輸出隔離的電源。

實現與噪聲源電壓的接地分離是需要使用一個隔離式電源 (特別是在醫療設備中) 的原因之一。僅以醫用檢查照相機、牙科器械、睡眠和生命體征監測儀等為例，它們都采用了顯示器，而這些顯示器會受到噪聲源電壓的不良影響。隔離式電源可提供接地分離，從而能夠消除導致顯示異常的噪聲。

較大型的醫療系統 (例如: CT 掃描、血氣電解質分析儀和一些超聲系統) 由于有多個 PC 電路板用于各種不同的功能，所以一般采用分布式電源架構，并且通常向整個系統分配 24V 或 48V 總線電壓。為了提高可靠性并出于安全原因，分布式電源架構通常需要對總線到子系統的工作電壓進行隔離式 DC/DC 轉換。這種類型的總線電壓能提供很大的電流，而且需要隔離以防止在短路故障情況下可能導致的危險。

很多年來，反激式轉換器一直廣泛用于隔離式 DC/DC 應用。不過，這類轉換器未必是設計師的首選。電源設計師之所以被迫選擇反激式轉換器，是因為需要滿足功率較低的隔離需求，而不是因為這類轉換器易于設計。由于控制環路中眾所周知的右半平面零點之原因，反激式轉換器存在著穩定性問題，而且光耦合器的傳播延遲、老化和增益變化還會使該問題更加復雜。

此外，使用反激式轉換器時，需要花費大量時間來設計變壓器，而通常現成有售的變壓器可選范圍有限，可能需要定制變壓器，這就使事情更加復雜了。最近在電源轉換技術領域取得的進步已經使更低功率的隔離式轉換器更容易設計。凌力爾特公司最近推出的 LT8300 隔離型反激式轉換器就解決了很多這類反激式設計的問題。

簡單的反激式 IC 設計

LT8300 免除了增設光耦合器、副端基準電壓和電源變壓器附加第三繞組的需要，同時僅用一個電源變壓器就可保持主端和副端隔離，而這電源變壓器必須橫跨隔離勢壘。LT8300 運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節點波形來檢測輸出電壓。在開關斷開期間，輸出二極管負責向輸出端提供電流，而輸出電壓被反射至反激式變壓器的主端。開關節點電壓的數值是輸入電壓與反射輸出電壓之和 (LT8300 能夠重構)。這種輸出電壓反饋方法在整個電壓、負載和溫度范圍內，可產生好于 ±5% 的總體穩定度。圖 1 顯示了采用 LT8300 和僅 7 個外部組件的反激式轉換器的原理圖。

圖 1：具主端輸出電壓檢測的 LT8300 反激式轉換器

LT8300 采用小型 5 引線 SOT-23 封裝，接受 5V 至 100V 的輸入電壓，這無需串聯降壓電阻器就可直接加到該 IC 上。由于有高壓內置 LDO，而且 SOT-23 封裝上的引腳 4 和 5 有固有的額外間距，所以該器件能以高輸入電壓可靠地運行。此外，其內置的 260mA、150V 內部 DMOS 電源開關允許該器件提供高達約 2W 的輸出功率。

此外，LT8300 在輕負載時以低紋波突發模式 (Burst Mode®) 工作，這可將靜態電流降至僅為 330uA，這種功能延長了休眠模式的電池運行時間。其他特點包括內部軟啟動和欠壓閉鎖。變壓器匝數比和一個外部電阻器就是設定輸出電壓全部的所需。

主端輸出電壓檢測

隔離式轉換器的輸出電壓檢測通常需要一個光耦合器和副端參考電壓。光耦合器通過光鏈路發送輸出電壓反饋信號，同時保持隔離勢壘。然而，光耦合器傳輸比隨溫度和老化而改變，從而降低了準確度。不同的光耦合器單元之間還可能是非線性的，這導致不同的電路有不同的增益 / 相位特性。運用一個額外的變壓器繞組實現電壓反饋的反激式設計還可以取代光耦合器，用來閉合反饋環路。不過，這個額外的變壓器繞組增大了變壓器的尺寸和成本。

通過檢測變壓器主端上的輸出電壓，LT8300 無需光耦合器或額外的變壓器繞組。當功率晶體管關斷時，在主端開關節點波形上可準確地測量輸出電壓，如圖 2 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 2：典型的開關節點波形

邊界模式工作減小了轉換器的尺寸并改善穩定性

在副端電流降至零時，LT8300 反激式轉換器立即接通其內部開關，而當開關電流達到預定義的電流限制時，該轉換器即關斷。因此它總是在連續導通模式與斷續導通模式 (DCM) 轉換時工作，通常這稱為邊界模式或臨界導通模式。