為空間受限的設計選擇無光電反激式直流轉(zhuǎn)換器

對微功耗和低功耗應用（<1W 至數(shù)十瓦）的需求不斷增長，這推動了進一步減小解決方案尺寸和設計復雜性的需求。為了滿足這些需求，無光耦合器或“無光”反激式設計正成為首選拓撲。由于其相對簡單的設計和較少的組件數(shù)量，反激式拓撲是隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器應用的絕佳選擇。

傳統(tǒng)上，隔離式 DC/DC 反激式轉(zhuǎn)換器使用光耦合器或第三個變壓器繞組來實現(xiàn)適當?shù)木€路調(diào)節(jié)。不幸的是，這導致了更復雜的設計、增加的物料清單 (BOM) 成本以及對更多 PCB 空間的需求。較新的“無光”反激式方法通過直接從初級側(cè)反激波形采樣隔離輸出電壓來使用初級側(cè)調(diào)節(jié)。這提供了一個隔離式反激式電路，無需光耦合器或第三個變壓器繞組，而二次側(cè)輸出電壓調(diào)節(jié)通常需要這些繞組。這種簡化的變壓器配置為新設計提供了使用各種緊湊型現(xiàn)成變壓器以及 Coilcraft 耦合電感器的可能性。

在這篇博文中，我們將探討如何通過開發(fā)結(jié)合了 Maxim 無光反激式轉(zhuǎn)換器 IC 和 Coilcraft 反激式變壓器的解決方案來簡化設計、重新獲得 PCB 空間并降低 BOM 成本。

流行的反激式拓撲非常適合低功耗 DC/DC 轉(zhuǎn)換

反激式拓撲是設計適合低功率應用的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的一種歷史悠久且受歡迎的方法。低功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，從 5W 到 20W，應用廣泛，尤其需要為工業(yè)自動化系統(tǒng)、過程控制器和工業(yè)網(wǎng)絡設備供電。開發(fā)人員還在同樣廣泛的電池供電設備（例如手持式檢測裝置和智能手機）中使用緊湊型微功率 <1W DC/DC 轉(zhuǎn)換器。反激式轉(zhuǎn)換器采用與降壓/升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器類似的開關(guān)方法，但不是使用單個電感器，而是通過具有初級和次級繞組的變壓器實現(xiàn)電流隔離。變壓比決定輸出電壓是小于還是大于輸入電壓?？刂破骷呻娐?(IC) 驅(qū)動初級變壓器繞組，開關(guān)頻率通常可調(diào)，以針對所需負載條件實現(xiàn)最佳轉(zhuǎn)換效率。嚴格調(diào)節(jié)輸出電壓通常是控制器 IC 的一個關(guān)鍵屬性，但保持初級與次級隔離不允許來自次級側(cè)的直接反饋連接。通常，使用以下兩種方法之一作為隔離反饋環(huán)路來調(diào)節(jié)次級輸出電壓：但是保持初級到次級的隔離不允許來自次級側(cè)的直接反饋連接。通常，使用以下兩種方法之一作為隔離反饋環(huán)路來調(diào)節(jié)次級輸出電壓：但是保持初級到次級的隔離不允許來自次級側(cè)的直接反饋連接。通常，使用以下兩種方法之一作為隔離反饋環(huán)路來調(diào)節(jié)次級輸出電壓：

光耦

變壓器上的第三個繞組

光耦合器方法提供了最佳的電壓和電流調(diào)節(jié)，但會導致轉(zhuǎn)換器設計中包含額外的組件，這些組件都需要電路板空間。對于線路調(diào)節(jié)不那么重要的應用，第三種變壓器繞組方法就足夠了。

縮小電路板空間需要更低的 BOM

盡管光耦合器方法在電壓和電流調(diào)節(jié)方面具有優(yōu)勢，但光耦合器的可靠性特性和所需的附加組件往往會顯著縮短設計的平均故障間隔時間 (MTBF)。在當今空間受限的設備中，尤其是在工業(yè)自動化控制柜中，需要在給定的電路板空間中安裝更多電子設備，這促使開發(fā)人員重新考慮調(diào)節(jié)輸出電壓的方法。從變壓器的初級側(cè)獲取反饋電壓似乎是一種謹慎、準確且具有成本效益的解決方案。然而，在初級側(cè)的反激“關(guān)閉”階段通過變壓器檢測反射的次級輸出有很多好處。

無光反激方法的優(yōu)勢

采用非基于光的轉(zhuǎn)換器方法有幾個優(yōu)點。這種方法的一個優(yōu)點是它通過減少許多組件（例如光耦合器、去耦電容器和驅(qū)動光耦合器所需的其他次級側(cè)器件）來極大地簡化設計。減少元件數(shù)量不僅意味著節(jié)省寶貴的電路板空間，而且還具有提高 MTBF 可靠性等級的額外好處。此外，更少的組件導致更低的 BOM 成本。非基于光的轉(zhuǎn)換器方法的另一個優(yōu)點是還可以簡化變壓器設計，使其更加緊湊，并且在使用第三繞組提供反饋電壓的情況下，開發(fā)人員可以使用更小的變壓器。

Maxim MAX17690 無光反激式控制器 IC

Maxim MAX17690是無光隔離反激式控制器 IC 的絕佳示例。MAX17690 具有 4.5V 至 60V 的輸入電壓范圍和 50kHz 至 250kHz 的可編程開關(guān)頻率范圍，可以驅(qū)動初級側(cè)標準或邏輯電平 MOSFET，如圖 1所示的示例應用所示. 它具有 2A/4A 峰值源/灌柵極驅(qū)動電流能力、輸入使能/欠壓鎖定功能和輸入過壓保護。該控制器采用緊湊、節(jié)省空間的 16 引腳 3mm x 3mm TQFN 封裝，還具有可編程軟啟動功能，可限制啟動期間的浪涌電流。圖 1 突出顯示了一個低 BOM 設計，其中包含一個 1:0.22 變壓器，可從 18V 至 36V 范圍內(nèi)的輸入提供隔離式穩(wěn)壓 5V、1A 輸出。MAX17690 可在所有負載和線路變化范圍內(nèi)實現(xiàn) +/-5% 的輸出電壓調(diào)節(jié)。在 IC 中，一種算法根據(jù)反激階段初級側(cè)繞組的電壓準確計算輸出電壓。

圖 1：使用 Maxim MAX17690 從 18V 至 36V 輸入創(chuàng)建 5V、1A 輸出的應用示例。（來源：Maxim）

除了 MAX17690 之外，還有另外兩款隔離式無光反激式控制器 IC 可供選擇。MAX17686采用 10 引腳 3mm x 2mm TDFN 封裝，使用片內(nèi)開關(guān) MOSFET 提供高達 5W 的輸出功率和 90% 的峰值效率。稍大的MAX17687可以提供高達10W的輸出。

設計原型

在為中低隔離式 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換應用開發(fā)空間封閉設計時， Coilcraft YA9280-AL反激式變壓器是搭配薄型 Maxim MAX17690 無光反激式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 IC 的理想選擇。這款薄型變壓器針對與 MAX17690 的參考設計MAXREFDES1226一起使用進行了優(yōu)化，僅占用 13.0mm x 12.0mm x 6.5mm 的電路板空間，并具有高峰值初級繞組電流。初級到次級隔離為 1,500Vrms，與類似的變壓器相比，該設備體積小 30%，外形小 6.2 毫米。YA9280-AL 是 Coilcraft 最新推出的緊湊型、高效無光反激變壓器綜合低功耗產(chǎn)品組合（圖 2）。

圖 2：高度緊湊、薄型的 Coilcraft YA9280-AL 反激式變壓器在沒有輔助繞組的簡單設計中提供嚴格的輸出調(diào)節(jié)。（來源：線藝）

Maxim MAXREFDES1226 參考設計是評估基于 MAX17690 的隔離式無光反激轉(zhuǎn)換器原型的理想平臺。

用于 MAX17960 無光反激式控制器 IC 的 Maxim MAXREFDES1226 參考設計使用 Coilcraft YA9280-AL 薄型緊湊型變壓器。

該參考設計從 18V 至 36V 范圍內(nèi)的直流電源提供單個隔離式穩(wěn)壓 5V、1.5A (7.5W) 輸出。

Robert Huntley 是一位獲得 HND 資格的工程師和技術(shù)作家。憑借他在電信、導航系統(tǒng)和嵌入式應用工程方面的背景，他代表 Mouser Electronics 撰寫了各種技術(shù)和實用文章。