反激式轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)化隔離式電源設(shè)計(jì)

引言

曾經(jīng)需要一個(gè)簡(jiǎn)單的低功率隔離式內(nèi)務(wù)處理電源、又不想買現(xiàn)成有售的磚或模塊嗎?制造或購(gòu)買決策取決于很多因素，但是簡(jiǎn)單性、解決方案尺寸、價(jià)格和性能對(duì)于走哪條路有重大影響。包括某些醫(yī)療系統(tǒng)在內(nèi)的幾種類型應(yīng)用需要具備輸入至輸出隔離的電源。

實(shí)現(xiàn)與噪聲源電壓的接地分離是需要使用一個(gè)隔離式電源 (特別是在醫(yī)療設(shè)備中) 的原因之一。僅以醫(yī)用檢查照相機(jī)、牙科器械、睡眠和生命體征監(jiān)測(cè)儀等為例，它們都采用了顯示器，而這些顯示器會(huì)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(dǎo)致顯示異常的噪聲。

較大型的醫(yī)療系統(tǒng) (例如: CT 掃描、血?dú)怆娊赓|(zhì)分析儀和一些超聲系統(tǒng)) 由于有多個(gè) 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(gòu)，并且通常向整個(gè)系統(tǒng)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(gòu)通常需要對(duì)總線到子系統(tǒng)的工作電壓進(jìn)行隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)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(dǎo)致的危險(xiǎn)。

很多年來(lái)，反激式轉(zhuǎn)換器一直廣泛用于隔離式 DC/DC 應(yīng)用。不過(guò)，這類轉(zhuǎn)換器未必是設(shè)計(jì)師的首選。電源設(shè)計(jì)師之所以被迫選擇反激式轉(zhuǎn)換器，是因?yàn)樾枰獫M足功率較低的隔離需求，而不是因?yàn)檫@類轉(zhuǎn)換器易于設(shè)計(jì)。由于控制環(huán)路中眾所周知的右半平面零點(diǎn)之原因，反激式轉(zhuǎn)換器存在著穩(wěn)定性問(wèn)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(wèn)題更加復(fù)雜。

此外，使用反激式轉(zhuǎn)換器時(shí)，需要花費(fèi)大量時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)變壓器，而通常現(xiàn)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(fù)雜了。最近在電源轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域取得的進(jìn)步已經(jīng)使更低功率的隔離式轉(zhuǎn)換器更容易設(shè)計(jì)。凌力爾特公司最近推出的 LT8300 隔離型反激式轉(zhuǎn)換器就解決了很多這類反激式設(shè)計(jì)的問(wèn)題。

簡(jiǎn)單的反激式 IC 設(shè)計(jì)

LT8300 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)僅用一個(gè)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(shì)壘。LT8300 運(yùn)用了一種主端檢測(cè)方案，該方案能通過(guò)反激式變壓器主端開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形來(lái)檢測(cè)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 (LT8300 能夠重構(gòu))。這種輸出電壓反饋方法在整個(gè)電壓、負(fù)載和溫度范圍內(nèi)，可產(chǎn)生好于 ±5% 的總體穩(wěn)定度。圖 1 顯示了采用 LT8300 和僅 7 個(gè)外部組件的反激式轉(zhuǎn)換器的原理圖。

圖 1：具主端輸出電壓檢測(cè)的 LT8300 反激式轉(zhuǎn)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(wú)需串聯(lián)降壓電阻器就可直接加到該 IC 上。由于有高壓內(nèi)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(yùn)行。此外，其內(nèi)置的 260mA、150V 內(nèi)部 DMOS 電源開關(guān)允許該器件提供高達(dá)約 2W 的輸出功率。

此外，LT8300 在輕負(fù)載時(shí)以低紋波突發(fā)模式 (Burst Mode®) 工作，這可將靜態(tài)電流降至僅為 330uA，這種功能延長(zhǎng)了休眠模式的電池運(yùn)行時(shí)間。其他特點(diǎn)包括內(nèi)部軟啟動(dòng)和欠壓閉鎖。變壓器匝數(shù)比和一個(gè)外部電阻器就是設(shè)定輸出電壓全部的所需。

主端輸出電壓檢測(cè)

隔離式轉(zhuǎn)換器的輸出電壓檢測(cè)通常需要一個(gè)光耦合器和副端參考電壓。光耦合器通過(guò)光鏈路發(fā)送輸出電壓反饋信號(hào)，同時(shí)保持隔離勢(shì)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(zhǔn)確度。不同的光耦合器單元之間還可能是非線性的，這導(dǎo)致不同的電路有不同的增益 / 相位特性。運(yùn)用一個(gè)額外的變壓器繞組實(shí)現(xiàn)電壓反饋的反激式設(shè)計(jì)還可以取代光耦合器，用來(lái)閉合反饋環(huán)路。不過(guò)，這個(gè)額外的變壓器繞組增大了變壓器的尺寸和成本。

通過(guò)檢測(cè)變壓器主端上的輸出電壓，LT8300 無(wú)需光耦合器或額外的變壓器繞組。當(dāng)功率晶體管關(guān)斷時(shí)，在主端開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形上可準(zhǔn)確地測(cè)量輸出電壓，如圖 2 所示，其中 N 是變壓器的匝數(shù)比，VIN 是輸入電壓，VC 是最高箝位電壓。

圖 2：典型的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形

邊界模式工作減小了轉(zhuǎn)換器的尺寸并改善穩(wěn)定性

在副端電流降至零時(shí)，LT8300 反激式轉(zhuǎn)換器立即接通其內(nèi)部開關(guān)，而當(dāng)開關(guān)電流達(dá)到預(yù)定義的電流限制時(shí)，該轉(zhuǎn)換器即關(guān)斷。因此它總是在連續(xù)導(dǎo)通模式與斷續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM) 轉(zhuǎn)換時(shí)工作，通常這稱為邊界模式或臨界導(dǎo)通模式。