LT3512：高性能隔離式反激轉(zhuǎn)換器的設(shè)計與應(yīng)用

引言

在電子工程師的日常工作中，隔離式電源的設(shè)計一直是一個具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。傳統(tǒng)的隔離式電源方案往往需要使用光耦或額外的變壓器繞組來實現(xiàn)輸出電壓的反饋和調(diào)節(jié)，這不僅增加了成本和電路的復(fù)雜性，還可能影響電源的性能和可靠性。而Linear Technology公司的LT3512高性能隔離式反激轉(zhuǎn)換器為我們提供了一種全新的解決方案，它能夠在不需要光耦或額外變壓器繞組的情況下實現(xiàn)精確的輸出電壓調(diào)節(jié)，大大簡化了隔離式電源的設(shè)計。

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LT3512概述

特點

• 寬輸入電壓范圍：LT3512支持4.5V至100V的輸入電壓范圍，適用于各種不同的電源應(yīng)用。
• 集成電源開關(guān)：內(nèi)部集成了420mA、150V的電源開關(guān)，減少了外部元件的數(shù)量，降低了成本和電路板空間。
• 邊界模式操作：采用邊界模式操作，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換，減少開關(guān)損耗。
• 無需光耦或第三繞組：通過直接從初級側(cè)反激波形中感應(yīng)輸出電壓，無需使用光耦或額外的變壓器繞組進(jìn)行調(diào)節(jié)，簡化了電路設(shè)計。
• 改進(jìn)的初級側(cè)繞組反饋負(fù)載調(diào)節(jié)：通過改進(jìn)的初級側(cè)繞組反饋機制，能夠?qū)崿F(xiàn)更好的負(fù)載調(diào)節(jié)性能。
• BIAS引腳：提供BIAS引腳，用于內(nèi)部偏置電源和功率開關(guān)驅(qū)動器，無需外部啟動電阻。
• 16引腳MSOP封裝：采用16引腳MSOP封裝，體積小巧，便于安裝和布局。

應(yīng)用領(lǐng)域

LT3512適用于多種隔離式電源應(yīng)用，包括電信電源、輔助電源、工業(yè)電源、汽車電源和醫(yī)療電源等。

工作原理

隔離反饋機制

傳統(tǒng)的隔離式電源方案通常使用光耦或額外的變壓器繞組來實現(xiàn)輸出電壓的反饋和調(diào)節(jié)。而LT3512采用了一種獨特的隔離反饋機制，通過直接從初級側(cè)反激波形中感應(yīng)輸出電壓，無需使用光耦或額外的變壓器繞組。當(dāng)輸出開關(guān)關(guān)閉時，其集電極電壓會上升，產(chǎn)生一個反激脈沖。這個反激脈沖的幅度與輸出電壓成正比，通過RFB和Q2將反激電壓轉(zhuǎn)換為電流，再通過RREF形成一個接地參考電壓，作為反激誤差放大器的輸入。反激誤差放大器會在次級側(cè)繞組電流為零時采樣電壓信息，并與內(nèi)部帶隙參考電壓進(jìn)行比較，從而實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。

邊界模式操作

LT3512采用邊界模式操作，即在連續(xù)導(dǎo)通模式和不連續(xù)導(dǎo)通模式之間的邊界上工作。在邊界模式下，開關(guān)在次級側(cè)繞組電流為零時開啟，這樣可以避免寄生電阻性電壓降導(dǎo)致的負(fù)載調(diào)節(jié)誤差，同時允許使用更小的變壓器，并且不會出現(xiàn)次諧波振蕩。

溫度補償

由于二極管的正向壓降具有顯著的負(fù)溫度系數(shù)，會影響輸出電壓的穩(wěn)定性。為了補償這種溫度影響，LT3512通過在RREF引腳連接一個正溫度系數(shù)電流源來實現(xiàn)溫度補償。通過調(diào)整TC引腳到地的電阻，可以設(shè)置補償電流，從而抵消二極管正向壓降的溫度系數(shù)。

變壓器設(shè)計考慮

匝數(shù)比選擇

在使用LT3512設(shè)計隔離式電源時，變壓器的匝數(shù)比選擇非常重要。匝數(shù)比的選擇需要考慮多個因素，包括輸出功率、輸入電壓、開關(guān)電壓和漏感等。一般來說，為了最大化可用輸出功率，對于低輸出電壓（3.3V或5V），可以選擇N:1的匝數(shù)比，通過增加初級繞組的數(shù)量來提高變壓器的電流增益。但需要注意的是，SW引腳的電壓等于最大輸入電源電壓加上輸出電壓乘以匝數(shù)比，同時漏感會導(dǎo)致電壓尖峰，因此需要選擇合適的匝數(shù)比，以確保SW引腳的電壓不超過其絕對最大額定值。

飽和電流

變壓器繞組中的電流不應(yīng)超過其額定飽和電流，否則能量將無法傳遞到次級，而是在鐵芯中耗散。因此，在選擇變壓器時，需要確保其飽和電流能夠滿足應(yīng)用的需求。

初級電感要求

LT3512通過開關(guān)引腳的反射輸出電壓來獲取輸出電壓信息，為了確保正確采樣，次級繞組需要導(dǎo)通電流至少400ns。因此，初級側(cè)磁化電感需要滿足一定的最小值要求。同時，為了避免開關(guān)在小于100ns的時間內(nèi)導(dǎo)通，初級電感還需要滿足另一個基于最大輸入電壓的要求。

漏感和鉗位電路

變壓器的漏感會導(dǎo)致開關(guān)關(guān)閉后在初級側(cè)出現(xiàn)電壓尖峰，尤其是在高負(fù)載電流時更為明顯。為了保護(hù)內(nèi)部功率開關(guān)，需要設(shè)計合適的鉗位電路。推薦使用DZ（二極管 - 齊納）鉗位電路，它具有設(shè)計簡單、鉗位電壓高和功率損耗低的優(yōu)點。在選擇二極管和齊納二極管時，需要考慮其反向電壓額定值和功率損耗等因素。

應(yīng)用設(shè)計考慮

迭代設(shè)計過程

由于LT3512采用了獨特的采樣方案來調(diào)節(jié)隔離輸出電壓，因此需要一個簡單的迭代過程來選擇反饋電阻和溫度補償電阻。反饋電阻值和溫度補償電阻值很大程度上取決于應(yīng)用、變壓器和輸出二極管的選擇。在迭代過程中，需要根據(jù)實際測量的輸出電壓來調(diào)整電阻值，以確保輸出電壓的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

選擇RFB和RREF電阻值

可以使用以下公式來設(shè)置RFB和RREF的值： [R{F B}=frac{R{R E F} cdot N{P S}left[left(V{O U T}+V{F}right)+V{T C}right]}{V{B G}}] 其中，$V{OUT}$為輸出電壓，$V{F}$為開關(guān)二極管正向電壓，$N{PS}$為有效初級 - 次級匝數(shù)比，$V{TC}=0.55V$，$V{BG}$為內(nèi)部帶隙參考電壓。一般來說，$R_{REF}$應(yīng)約為10k，以確保LT3512的性能和精度。

欠壓鎖定（UVLO）

通過從$V_{IN}$到EN/UVLO引腳的電阻分壓器可以實現(xiàn)欠壓鎖定（UVLO）功能。EN/UVLO引腳的閾值為1.21V，當(dāng)引腳電壓低于該閾值時，芯片將關(guān)閉。同時，該引腳還具有2.6μA的電流滯回，可以實現(xiàn)可編程的欠壓鎖定滯回。

最小負(fù)載要求

為了確保LT3512能夠準(zhǔn)確地采樣反激脈沖，以調(diào)節(jié)輸出電壓，需要滿足一定的最小負(fù)載要求。一般來說，最小負(fù)載要求在20mA至25mA之間，具體取決于應(yīng)用。如果預(yù)加載不可接受，可以使用一個齊納二極管作為最小負(fù)載。

BIAS引腳考慮

BIAS引腳為LT3512的內(nèi)部電路供電，有三種不同的配置方式。第一種是內(nèi)部LDO從$V{IN}$電源驅(qū)動BIAS引腳；第二種是$V{IN}$電源直接連接到BIAS引腳，繞過內(nèi)部LDO，這種配置可以使芯片在4.5V至15V的電壓范圍內(nèi)工作；第三種是使用外部電源或第三繞組驅(qū)動BIAS引腳，當(dāng)存在低于輸入電源的電壓源時，可以選擇這種配置，以提高內(nèi)部電路的電源效率。

環(huán)路補償

通過在VC引腳連接一個外部電阻 - 電容網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)環(huán)路補償。合適的$R{C}$和$C{C}$值對于實現(xiàn)穩(wěn)定的輸出和良好的瞬態(tài)響應(yīng)非常重要。一般來說，典型的補償值為$R{C}=15k$和$C{C}=4.7nF$，但具體值需要根據(jù)應(yīng)用和變壓器的選擇進(jìn)行調(diào)整。

設(shè)計示例

下面以設(shè)計一個15V輸出、200mA負(fù)載電流、輸入范圍為36V至72V的隔離式反激轉(zhuǎn)換器為例，介紹LT3512的設(shè)計步驟：

步驟1：選擇變壓器匝數(shù)比

根據(jù)公式[N{P S}{S W(M A X)}-V{I N(M A X)}-V{L E A K A G E}}{V{O U T}+V{F}}]，其中$V{SW(MAX)}=150V$，$V{IN(MAX)}=72V$，$V{LEAKAGE}=40V$，$V{F}approx0.5V$，計算得到$N{PS}<2.45$，選擇$N{PS}=2$。同時，可以選擇一個合適的第三繞組匝數(shù)比，以驅(qū)動BIAS引腳，提高效率。