高性能 Flybuck

提高 Flybuck 的性能

但是，我們?nèi)绾尾拍苓M(jìn)一步提高簡(jiǎn)單 Flybuck 的性能呢？本文介紹了三種不同的方法，可以單獨(dú)使用，也可以同時(shí)使用。首先，使用反相拓?fù)鋾?huì)影響占空比范圍，因此將提高許多應(yīng)用的性能和效率。其次，增加同步整流器將減少次級(jí)側(cè)損耗，并改善輸出電壓調(diào)節(jié)。最后一種方法將通過(guò)添加一個(gè)光耦合器來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，從而進(jìn)一步改善輸出電壓調(diào)節(jié)。

圖 1 顯示了采用[光耦合器]和次級(jí)同步整流的反相 Flybuck 的簡(jiǎn)化原理圖。

圖 1：高性能 Flybuck 的簡(jiǎn)化原理圖

在 Flybuck 中，最小輸入電壓必須始終高于主輸出電壓。這通常會(huì)導(dǎo)致低輸入電壓的高占空比。這在許多 Flybuck 應(yīng)用中是一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)楦哒伎毡葧?huì)大大增加峰值電流。因此，在大量漏感的情況下，F(xiàn)lybuck 可能無(wú)法在占空比高于 60% 的情況下使用。

幸運(yùn)的是，還有另一種選擇?？梢允褂梅聪?BuckBoost 代替 Buck，因?yàn)檫@將在許多應(yīng)用中降低占空比。當(dāng)然，只有當(dāng)初級(jí)側(cè)不需要正電壓時(shí)，它才可以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)?BuckBoost 會(huì)產(chǎn)生負(fù)初級(jí)電壓。

每個(gè)同步降壓控制器都可用于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生負(fù)輸出電壓的反相 BuckBoost。這只是讓控制器工作所需的簡(jiǎn)單技巧。在標(biāo)準(zhǔn)降壓器件中，輸出電壓連接到電感器，返回線連接到GND。對(duì)于反相 BuckBoost，只需將器件接地連接到負(fù)輸出（而不是 GND），并在輸入和負(fù)輸出之間連接一個(gè)額外的電容器。（見(jiàn)圖 1）。在此配置中，[降壓]控制器將產(chǎn)生負(fù)輸出電壓。必須注意控制器的最大 VDD 電壓額定值。輸出處于穩(wěn)壓狀態(tài)后，控制器以負(fù)輸出為基準(zhǔn)。因此，控制器看到的最大VDD電壓是輸入和輸出電壓之間的電壓差。請(qǐng)注意，UVLO將無(wú)法正常工作，因?yàn)樵诖伺渲弥?，UVLO要低得多。

次級(jí)側(cè)同步整流器

驅(qū)動(dòng)次級(jí)側(cè)同步整流器的方法有很多種。您可以添加一個(gè)單獨(dú)的柵極驅(qū)動(dòng)變壓器來(lái)驅(qū)動(dòng)次級(jí)同步 FET。如果初級(jí)控制器與外部初級(jí)[MOSFET]一起使用，則可以從初級(jí)側(cè)獲取驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

另一種方法是使用次級(jí)側(cè)同步控制器，這種控制器價(jià)格昂貴，但通常可以完美地控制FET。比這兩種方法更簡(jiǎn)單、更便宜的方法是在 Flybuck 變壓器上添加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)繞組。這種“自我驅(qū)動(dòng)”的技術(shù)只需要幾美分，但不幸的是，這種簡(jiǎn)單的方法有一個(gè)缺點(diǎn)。時(shí)序無(wú)法完美控制，這可能會(huì)導(dǎo)致短的擊穿電流。這將增加功耗并降低效率。電路應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行驗(yàn)證，以確保在所有條件下安全運(yùn)行。然而，與輸出二極管相比，自驅(qū)動(dòng)[同步整流器將提高]效率和輸出電壓調(diào)節(jié)。圖1顯示了自驅(qū)動(dòng)同步FET的簡(jiǎn)單電路（以棕色突出顯示）。

光耦合器反饋

在初級(jí)側(cè)控制中，次級(jí)輸出電壓通過(guò)初級(jí)側(cè)電壓的耦合進(jìn)行調(diào)節(jié)。次級(jí)輸出僅由初級(jí)輸出和 [變壓器]控制。輸出整流器或寄生元件（如漏感、繞組電阻、布局或其他組件）的壓降無(wú)法補(bǔ)償。因此，通常只能實(shí)現(xiàn)約5%至10%的輸出電壓調(diào)節(jié)。當(dāng)需要更好的調(diào)節(jié)時(shí)，可以使用光耦合器來(lái)調(diào)節(jié)次級(jí)輸出電壓。

輸出電壓的調(diào)節(jié)是如何工作的？

圖1所示為光耦合器穩(wěn)壓設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化電路。TL431 等 [誤差放大器] （U3） 與光耦合器一起使用，以提供反饋環(huán)路隔離。由于線路或負(fù)載變化而導(dǎo)致的輸出電壓的微小變化可通過(guò)誤差放大器的輸入端檢測(cè)，并與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行比較。分壓輸出電壓（R7、R8）和基準(zhǔn)電壓之間的差值被轉(zhuǎn)換為誤差電流。

該誤差電流信號(hào)通過(guò)光耦合器傳輸?shù)匠跫?jí)側(cè)。在初級(jí)側(cè)，控制器 （U1） 正在調(diào)節(jié)負(fù)初級(jí)電壓。與次級(jí)側(cè)類(lèi)似，電阻分壓器（R3、R4）用于測(cè)量輸出電壓并將其與控制器的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。換句話說(shuō)，有兩條反饋路徑，一條在初級(jí)側(cè)，一條在次級(jí)側(cè)。只需將光晶體管連接到初級(jí)側(cè)電阻分壓器即可將這兩條反饋路徑組合在一起（見(jiàn)圖1）。

光電晶體管與高壓側(cè)電阻（R3）并聯(lián)，因此，有效電阻只能減小。因此，必須謹(jǐn)慎選擇初級(jí)側(cè)電阻分壓器。為了次級(jí)回路可以控制兩個(gè)方向（增加和減少輸出電壓），初級(jí)回路本身必須調(diào)節(jié)高于所需水平的初級(jí)電壓（絕對(duì)值）。這意味著必須將初級(jí)側(cè)分壓器設(shè)置為負(fù)輸出電壓的較高絕對(duì)值。因此，次級(jí)環(huán)路能夠增加和減少瞬態(tài)期間所需的輸出電壓。

人氣上升

Flybuck 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在具有寬輸入電壓范圍或?qū)捁β孰娖椒秶膽?yīng)用中尤為普遍，F(xiàn)lybuck 的性能有時(shí)不夠。所提出的方法展示了改善這種隔離拓?fù)湫袨榈姆椒ā?/p>

德州儀器 （TI） 的 PMP30197 參考設(shè)計(jì)中顯示了具有光耦合器反饋和同步整流的反相 Flybuck 的實(shí)際示例。峰值效率在92%以上（見(jiàn)圖2），負(fù)載調(diào)整率優(yōu)于1.5%。所有技術(shù)文件，如原理圖、測(cè)試報(bào)告、BOM或Gerber文件都可以在這里下載。

圖 2：效率參考設(shè)計(jì)PMP30197

審核編輯 黃宇