無光反激式DC/DC轉(zhuǎn)換器和緩沖保護(hù)電路

作者：Kevin Scott and Zhijun (George) Qian

反激式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)涫窃试S輸入電壓高于或低于輸出電壓的幾種拓?fù)渲弧EPIC和降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也允許這樣做，但有時(shí)反激式是更理想的解決方案：即當(dāng)需要隔離（為了抗噪性或安全性）或需要高輸出電壓時(shí)。基于變壓器的反激式是兩者的理想選擇;它提供電流隔離——輸入和輸出之間沒有直流路徑，并且通過適當(dāng)?shù)脑褦?shù)比和外部元件，可以獲得極高的電壓。

基于光耦合器的隔離式反激式解決方案

以下電路是基于光耦合器的典型隔離式反激式解決方案。

圖1.帶光耦合器和 TLV431 并聯(lián)穩(wěn)壓器的隔離式反激式控制器

在圖中，控制器用于促進(jìn)高壓操作。這增加了單片解決方案的復(fù)雜性，但允許用戶選擇適合所需電壓的外部功率MOSFET，并允許使用低壓IC，因?yàn)镮C不會(huì)暴露在高電路電壓下。由 RFB1 和 RFB2 確定的輸出電壓反饋信息通過與次級(jí)側(cè) TLV431 并聯(lián)穩(wěn)壓器和電阻 R1 偏置的光耦合器穿過隔離柵傳輸。更高效的電路包括變壓器上的第三個(gè)繞組（圖 2），該繞組在初級(jí)側(cè)產(chǎn)生偏置電壓，以便在器件啟動(dòng)后為 IC 供電;然而，這進(jìn)一步增加了元件數(shù)量、解決方案尺寸和成本。

圖2.隔離式反激式第三繞組電路

許多客戶正在尋找一種易于設(shè)計(jì)、不需要光耦合器的小尺寸隔離電源。除了尺寸和成本增加之外，光耦合器還會(huì)耗散功率，動(dòng)態(tài)響應(yīng)有限，并且電流傳輸比（CTR）會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低。越來越多的工程師正在用凌力爾特的無光隔離解決方案取代基于光耦合器的解決方案，這些解決方案不使用光耦合器，但仍能提供良好的輸出調(diào)節(jié)。這些解決方案具有集成的高壓電源開關(guān)，使用更少的外部組件，提供更小的解決方案尺寸，并且具有比以前的解決方案更低的待機(jī)電流和更高的效率。

無光反激式解決方案

凌力爾特的第一代無光反激式控制器大大簡化了隔離電路設(shè)計(jì)。隔離不再需要光耦合器、并聯(lián)穩(wěn)壓器和偏置電路，因?yàn)檩敵鲭妷悍答佇畔⑼ㄟ^變壓器的第三個(gè)繞組初級(jí)提供給IC。然而，仍然需要一個(gè)外部電源開關(guān)和一個(gè)外部控制環(huán)路補(bǔ)償RC網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)環(huán)路穩(wěn)定性。

凌力爾特最新一代無光隔離反激式轉(zhuǎn)換器擴(kuò)展了簡單性、微功耗操作和小解決方案尺寸的概念。這些器件具有內(nèi)部電源開關(guān)，輸入電壓范圍為 42V 至 560V（42V、100V 和 560V 輸入），具有 2W 至 24W 的隔離輸出功率。它們使用獨(dú)特的邊界模式控制方案，提供出色的負(fù)載調(diào)節(jié)和控制環(huán)路穩(wěn)定性，減少所需的環(huán)路補(bǔ)償電路并最大限度地減小變壓器的尺寸。例如，100V輸入24W LT8304的典型工作電路如下所示。LT8304 的設(shè)計(jì)簡單性不僅源于其控制方案，還在于它具有內(nèi)部控制環(huán)路補(bǔ)償和一個(gè)內(nèi)部電源開關(guān)。

圖3.LT8304 典型工作電路

通過監(jiān)視反射回電感初級(jí)側(cè)的輸出電壓來調(diào)節(jié)輸出，無需光耦合器，在大多數(shù)情況下無需第三個(gè)變壓器繞組（560V輸入LT8315除外，由于其極高的輸入電壓范圍，它確實(shí)需要第三個(gè)繞組）。其結(jié)果是一個(gè)效率相對較高、體積小、易于設(shè)計(jì)的解決方案，外部元件少，占用空間小。

下圖顯示了 24W 輸出 LT8304 的效率與負(fù)載電流的關(guān)系。效率高于 80% 對于該系列器件來說很常見。

圖4.LT8304 效率與負(fù)載電流的關(guān)系

緩沖電路

對于變壓器，初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)漏電流會(huì)導(dǎo)致過大的電壓尖峰，超過IC的絕對最大額定電壓，如果允許振鈴時(shí)間過長，可能會(huì)錯(cuò)誤地使電源開關(guān)控制電路跳閘。一些電感器具有高漏感的特征，但繞組不良的電感器也會(huì)表現(xiàn)出高漏感，雜散電感會(huì)加劇由此產(chǎn)生的電壓尖峰，這通常是電路布局不良的結(jié)果。為了防止這種情況，使用了緩沖電路。

圖5.緩沖電路

圖5顯示了兩種不同的緩沖器電路：二極管齊納（DZ）緩沖器和電阻電容（RC）緩沖器。緩沖電路的工作原理是吸收由于漏感L引起的多余能量l，從而保護(hù)IC免受潛在的高電壓或過度振鈴的影響。DZ緩沖器可確保定義明確且一致的箝位電壓，并具有略高的功率效率，而RC緩沖器可快速抑制電壓尖峰振鈴。

圖6.緩沖電路波形

圖6顯示了緩沖電路如何為LT8304的開關(guān)節(jié)點(diǎn)引腳提供保護(hù)。在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，即使在過載條件下，也應(yīng)為最壞情況下的漏電電壓尖峰留出足夠的裕量。在大多數(shù)情況下，LT8304初級(jí)端的反射輸出電壓加上輸入電壓應(yīng)保持在110V以下。這為線路和負(fù)載條件下的漏尖峰留下了至少40V的裕量。在左側(cè)的圖6a中，沒有使用緩沖器，因此任何振鈴不得超過150V IC上限。在沒有任何保護(hù)電路的情況下，性能就只能靠機(jī)會(huì)，并且由于元件選擇和布局是重要的考慮因素，因此高輸入電壓過壓的可能性很高。對于低輸入電壓應(yīng)用，可能不需要緩沖器。在圖6b中，使用了DZ緩沖器。DZ 緩沖器使用齊納二極管箝位（或串聯(lián)齊納二極管串）將開關(guān)節(jié)點(diǎn)引腳箝位至 110V。請注意，由于齊納箝位，第一個(gè)幅度峰值（由箭頭表示）具有平坦的響應(yīng)。另請注意，DZ緩沖器不會(huì)影響振鈴，它只是限制峰值電壓。最后，右側(cè)的圖6c顯示了RC緩沖器的響應(yīng)。RC 緩沖器可抑制振鈴，確保振蕩不會(huì)無意中重新打開電源開關(guān)。LT8304 具有一個(gè) 350ns 的最小開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，因此振鈴不得超過此最小限值。

通?？梢钥吹烬R納二極管箝位或反激電路中使用的RC緩沖器;兩者也很常見，如上面的圖 1 所示。當(dāng)使用高壓LT8304來保護(hù)開關(guān)節(jié)點(diǎn)時(shí)，通常建議使用緩沖電路;然而，在特殊情況下，不需要緩沖電路，從而得到更簡化的原理圖和更小的解決方案尺寸。LT8300 具有一個(gè) 150V/260mA 內(nèi)部電源開關(guān)，當(dāng)小尺寸和最少的外部組件是關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，建議使用 LT8300。它具有強(qiáng)大的開關(guān)保護(hù)功能，數(shù)據(jù)手冊中包括許多不包括緩沖電路的電路，如圖8所示。.，從而為您的隔離需求提供最小、最簡單、功耗最低的解決方案（圖 7）。此處，開關(guān)引腳（SW）的最大電壓為V外乘以匝數(shù)比 （8：1） 加上 V在，或 3.3V * 8 + 72V，或 96V。這遠(yuǎn)低于開關(guān)的 150V 絕對最大額定值。

圖7.LT8300 通常不需要緩沖電路

結(jié)論

利用LT83xx系列單片式、隔離式反激式轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)小型、高效、穩(wěn)健、隔離式電源是一項(xiàng)相當(dāng)簡單的任務(wù)。內(nèi)部電源開關(guān)、推薦的現(xiàn)成變壓器和少量外部組件都有助于簡化設(shè)計(jì)過程。提供多種輸入電壓和輸出功率組合，涵蓋高達(dá) 24W 的輸出功率水平。此外，LTspice文件隨時(shí)可用于電路仿真，演示電路提供了一種快速執(zhí)行解決方案的便捷方法。

審核編輯：郭婷