减少了组件数量的阻隔式正向 DC/DC 转换器

导言
曩昔 25 年，高密度阻隔式 DC/DC 电源转化器现已发生了明显改动。全砖和半砖 DC/DC 转化器开始推出时，用户和电源公司都十分振作。这类砖式 DC/DC 转化器纳入了数百个组件，十分简略运用，因而用户不用再自行规划。这类器材适用于电信运用，电信运用中的 –48V 输入需求阻隔输入和输出，因为总线电压供给很大的功率。此外，这类转化器可在数据通信和工业体系中作为分布式电源架构的起点。与此一同，一些公司力争上游地进入了这一商场，追赶着这一范畴的领导者。许多电源公司在曩昔几年中也在尽力开发，以向商场推出新产品，这些公司规划了自己独有的磁性组件、拓扑以及操控电路， 一向在尽力逾越曾经的版别和同类产品。大多数产品的占板面积都相同，不过有些公司也开发了尺度和引脚数不同的产品，并已取得专利。现在，这类器材的占板面积现已多样化，包含 1/4、1/8 和 1/16 砖。
可是，跟着专门针对运用拓扑的 DC/DC 操控器的推出，加之 Würth、Pulse Engineering、Coiltronics 等公司供给的现成有售平面电源变压器和电感器，发生自己的特有规划变得简略多了。事实上，一个阻隔反激式转化器的规划可以用不到 15 个组件完结，而一个阻隔式正向转化器的规划仅需不到 20 个组件。在这种可选用特定于运用的操控器和单片式器材的新时代，规划师有或许以不同办法开发阻隔式 DC/DC 转化器。MOSFET 切换功用、VDS 额定值和 RDS(ON) 的改善也有助于更方便地完结分立式规划。此外，有些规划在反应回路中也不再需求用光耦合器调理输出电压了。
不仅是有必要满意 48V 阻隔要求的电信和数据通信运用，多种 DC/DC 转化器运用也需求阻隔式输出。关于需求阻隔地与有噪声输入电压的噪声灵敏设备，阻隔或许是必不可少的，例如轿车电池、中心总线和工业输入运用。显现器、可编程逻辑操控器 (PLC)、GPS 体系以及某些医疗监督设备或许都会遭到有噪声总线电压的负面影响。体检印象设备、牙科仪器、睡觉和生命体征监督器等都有显现器，都有或许遭到有噪声电源电压的负面影响。阻隔式电源供给的地阻隔可以消除有或许引起显现反常的噪声。
一种新的发展方向
凌力尔特可供给全系列的特定拓扑操控器，这些器材可用于阻隔式高密度 DC/DC 转化器，合适反激式、正向、推挽、全波桥式拓扑，有的版别有同步整流，有的则没有，有些运用光耦合器，有些则运用变压器闭合反应环路。这些器材有两种根本的输入电压规模，一种面向工业商场 (9V 至 32V)，另一种面向电信 / 数据通信商场 (36V 至 75V)，还有一些在 18V 至 75V 输入电压规模内作业。凌力尔特现已针对所有这些拓扑和输入电压规模预制了规划，这些规划的输出电压规模为 1.2V 至 48V。用户可以取得演示电路板、电气原理图以及用料单和用于 PCB 规划的 Gerbers 文件。《快速入门攻略》供给各种功用曲线，包含负载 / 电压调理、纹波和噪声、功率和瞬态呼应等。
阻隔式高密度 DC/DC 转化器最常选用的拓扑之一是正向转化器。凌力尔特供给单开关和双开关正向操控器，这些操控器与主边和副边 IC 一同运用，完成对同步 MOSFET 的操控、守时和驱动。最新操控器 IC 供给了简略性、高功率和快速瞬态呼应，降压型转化器规划师长期以来一向从中收获颇丰，这些操控器 IC 还具有同步整流和多相交织功率级。不过，这些功用现在也可用于正向转化器了，不久前推出的 LT8310 便是一个很好的比如，这款器材可用来构成组件数量较少的运用。实际上，以下图 1 所示 LT8310 仅用了 20 个外部组件，就组成了一个完好的阻隔式正向转化器，并可供给高达 78W 的输出功率。

图 1：LT8310 阻隔式正向转化器仅运用 20 个外部组件就可从 48V 输入供给 12V/6.5A 输出
图 1 所示电路从标称 48V 输入在高达 6.5A 发生 12V 输出，功率为 92%。这款具有谐振复位功用的主边正向操控器在 6V 至 100V 的输入电压规模内作业，并针对高达 200W 的功率水平。该器材可用于同步和非同步运用。就同步作业而言，LT8310 经过一个脉冲变压器向副边 MOSFET 驱动器发送操控信号，以完成同步整流守时。同步规划关于较高功率或较低输出电压的运用最有利。无需运用光耦合器就可完成 ±8% 的输出电压安稳度，如图 2 所示。

图 2：图 1 原理图中 LT8310 的输出电压安稳度 (VOUT 为 12V)
当运用光耦合器时，可以完成 ±1.5% 的安稳度。可编程伏秒箝位为变压器复位供给了保证，可避免饱满并维护 MOSFET。这个功用答应优化变压器和 MOSFET，然后减小解决方案尺度，并下降其本钱。
无需光耦合器，LT8310 的伏秒箝位就可界说 VOUT，然后简化了规划，下降了阻隔式运用的本钱。在有输出电压反应 (光阻隔或直接连线) 的运用中，伏秒箝位设定为高于转化器的天然占空比，以供给安全的占空比规模，避免变压器在负载瞬态时饱满。就非阻隔式运用而言，LT8310 供给一个电压差错放大器以及具正和负基准的反应引脚，因而可以完成供给正或负输出电压、十分简略且彻底安稳的正向转化器。其他特色包含可编程过流维护、可调输入欠压、过压闭锁和内置过热停机功用。LT8310 以 100kHz 至 500kHz 的可编程开关频率作业，可同步至一个外部时钟，然后可以运用多种电感值的输出电感器和多种尺度的变压器。LT8310 选用去掉了几个引脚的 TSSOP-20 封装，以供给高压距离。
反激式规划
关于甚至在较低功率水平的更简略阻隔式 DC/DC 转化器解决方案，可以选用反激式拓扑。反激式转化器多年来一向广泛用于阻隔式 DC/DC 运用，可是这类转化器未必是规划师的首选。电源规划师一般被逼挑选反激式转化器，是因为有必要满意较低功率的阻隔需求，而不是因为这类转化器更易于规划。因为众所周知的操控环路右半平面零点问题，反激式转化器存在安稳性问题，而光耦合器的老化和增益改动使这个问题进一步杂乱化。反激式转化器需求将很多时刻用于变压器规划，而现成有售变压器的可选规模有限，还有或许有必要定制变压器，这又使这种规划使命变得愈加杂乱了。不过，电源转化技术范畴的最新前进现已使得较低功率阻隔式转化更易于规划。例如，凌力尔特不久前推出的 LT8302 阻隔反激式转化器。
首要，LT8302 无需光耦合器和副边基准电压，无需电源变压器额定供给第三个绕组，仅用一个组件，即跨阻隔势垒的电源变压器，就可以坚持主副边之间的阻隔。LT8302 选用主边检测办法，这种办法可以经过反激的主边开关节点波形检测输出电压。在开关关断时，输出二极管向输出供给电流，输出电压反射回反激变压器的主边。开关节点电压的起伏是输入电压与反射回来的输出电压之和，LT8302 可以重建这一电压。这种输出电压反应办法可以在整个电压、负载和温度改动规模内发生好于 ±5% 的整体安稳度。图 3 显现了一个反激式转化器原理图，该电路选用 LT8302，且仅运用了 14 个外部组件。

图 3：具主边输出电压检测功用的 LT8302 反激式转化器
LT8302 选用耐热增强型 SO-8 封装，接受 2.8V 至 42V 输入电压。其巩固的内置 3.6A、65V DMOS 电源开关答应该器材供给高达约 18W 的输出功率。
此外，LT8302 在轻负载时以低纹波突发形式 (Burst Mode®) 作业，将静态电流降至仅为 106µA，这在备用形式、输出电压处于安稳状况时，延长了电池运转时刻。其他特色包含内部软启动和欠压闭锁。变压器匝数比和 1 个外部电阻器便是设定输出电压所需的悉数。
主边输出电压检测
就阻隔式转化器而言，输出电压检测一般需求一个光耦合器和副边参阅电压。光耦合器经过光链路发送输出电压反应信号，一同坚持阻隔势垒。不过，光耦合器传输比随温度改动和老化而改动，这会下降其精确度。光耦合器产品之间还或许是非线性的，这导致电路之间的增益/相位特性不同。选用一个额定的变压器绕组完成电压反应的反激式规划也可以用来闭合反应环路。可是，这个额定的变压器绕组增大了变压器的尺度和本钱，并且不能供给很好的输出电压调理。
LT8302 经过检测变压器主端的输出电压而无需光耦合器或额定的变压器绕组。功率晶体管关断时，在主边开关节点波形上可以精确地丈量输出电压，如图 4 所示，其间 N 是变压器的匝数比，VIN 是输入电压，VC 是最高箝位电压。

图 4：LT8302 的典型开关节点波形
变压器挑选与规划时须考虑的要素
关于成功运用 LT8302 而言，变压器功用规范及规划也许是最要害的部分。在规划走漏电感很低且紧耦合的高频阻隔式电源变压器时，除了一般罗列的各种注意事项，还有必要严格操控变压器匝数比。因为变压器副边电压是靠主边采样电压揣度的，所以匝数比有必要严格操控，以保证共同的输出电压。
凌力尔特一向与抢先的磁性组件制造商协作，以供给合适与 LT8302 一同运用的预规划反激式变压器。表 1 罗列了引荐运用 Würth Electronik 公司供给的现成有售变压器，LT8302 数据表中也列出了这些变压器。这些变压器主副边之间一般可在继续 1 分钟的时刻内接受 1500VAC 击穿电压。也可运用击穿电压更高的变压器和定制变压器。
表 1：可与 LT8302 一同运用的现成有售变压器

定论
因为特定于运用的操控 %&&&&&% 广泛可用，因而用户无需像几年前那样需求很长的开发周期，就可以规划自己的高密度 DC/DC 转化器。因为可以规划自己的阻隔式电源转化器，因而用户可以全面操控规划流程和组件挑选，然后可以添加规范产品不或许供给的特定功用，并且用户还常常可以完成更低的整体本钱。跟着特定于拓扑的操控器、现成有售平面磁性组件、特定于运用的电路、演示电路板和有关 Gerber 文件的呈现，用户可取得全线电源转化规划，然后更简略规划和开发他们自己的阻隔式 DC/DC 转化器。