LT3575：無光電耦合器的隔離反激式轉換器設計指南

在電子設計領域，隔離反激式轉換器是實現電源隔離的重要方案。今天我們要深入探討的 Linear Technology LT3575，就是一款專為隔離反激式拓撲設計的單片開關穩壓器，它無需光耦合器或變壓器第三繞組就能實現穩壓，為工程師們提供了一種高效、簡潔的解決方案。

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一、LT3575 核心特性

（一）電氣參數

• 寬輸入電壓范圍：支持 3V 至 40V 的輸入電壓，適用于多種電源場景。
• 集成功率開關：內置 2.5A、60V 的 NPN 功率開關，減少了外部元件數量。
• 邊界模式操作：采用邊界模式控制方法，在連續導通模式和不連續導通模式之間的邊界運行，提高了負載調節能力，同時允許使用更小的變壓器。
• 無需光耦合器或第三繞組：通過檢測初級側反激脈沖波形獲取隔離輸出電壓信息，簡化了電路設計，降低了成本。

（二）其他特性

• 可編程功能：支持可編程軟啟動和可編程功率開關電流限制，增強了設計的靈活性。
• 熱增強封裝：采用 16 引腳 TSSOP 封裝，具有良好的熱性能。

二、工作原理

（一）輸出電壓檢測

傳統的隔離反激式電路通常需要光耦合器或額外的變壓器繞組來將輸出電壓信息傳遞到初級側。而 LT3575 通過檢測初級側反激脈沖波形來獲取隔離輸出電壓信息，無需光耦合器或額外的變壓器繞組。當輸出開關關閉時，其集電極電壓會上升，產生反激脈沖。這個反激脈沖的幅度與輸出電壓、二極管正向電壓、變壓器次級電流以及次級電路的總阻抗有關。通過外部電阻 (R{FB}) 和 (R{REF})，可以將反激脈沖轉換為電流，并形成一個接地參考電壓，該電壓被輸入到反激誤差放大器中。誤差放大器以 1.23V 的帶隙電壓為參考電壓，通過比較這個參考電壓和 (R_{REF}) 上的電壓，來調節輸出電壓。

（二）邊界模式操作

邊界模式是一種可變頻率、電流模式的開關方案。開關導通，電感電流增加，直到達到 (V{C}) 引腳控制的電流限制。當次級電流通過二極管降至零時，SW 引腳電壓降至 (V{IN}) 以下，不連續導通模式（DCM）比較器檢測到這個事件并重新導通開關。邊界模式使次級電流在每個周期都歸零，避免了寄生電阻壓降導致的負載調節誤差，同時允許使用比連續導通模式更小的變壓器，且不會出現次諧波振蕩。在低輸出電流時，LT3575 會延遲開關導通，從而工作在不連續模式。

三、應用信息

（一）誤差放大器理論

1. 偽 DC 理論

通過外部電阻 (R{REF}) 和 (R{FB}) 來編程輸出電壓。當輸出開關關閉時，反激脈沖的幅度與輸出電壓、二極管正向電壓、變壓器次級電流以及次級電路的總阻抗有關。通過 (R{FB}) 和 Q2 將反激電壓轉換為電流，該電流幾乎全部流經 (R{REF}) 形成接地參考電壓，輸入到反激誤差放大器中。誤差放大器以 1.23V 的帶隙電壓為參考電壓，使 (R_{REF}) 上的電壓接近帶隙參考電壓，從而實現輸出電壓的調節。

2. 動態理論

由于反饋環路的采樣特性，LT3575 的正常運行需要滿足一些時序信號和其他約束條件。

• 最小電流限制：為了保證采樣電路有足夠的時間采樣輸出電壓，初級側磁化電感必須大于一定值。最小電流限制比電氣特性表中的值高，這是由于比較器延遲導致的過沖。
• 漏感消隱：當輸出開關首次關閉時，由于變壓器漏感的存在，會在初級側產生一個與輸出電壓無關的快速電壓尖峰。為了避免這些現象的影響，在開關關閉命令和采樣開始之間引入了 150ns 的固定延遲。
• 選擇 (R{FB}) 和 (R{REF}) 電阻值：可以通過公式 (R{FB}=frac{R{REF} cdot N{PS}[(V{OUT}+V{F})alpha + V{TC}]}{V{BG}}) 來計算 (R{FB}) 的值。通常 (R{REF}) 應約為 6.04k，若 (R{REF}) 的阻抗與 6.04k 相差較大，會產生額外的誤差。

（二）變壓器設計考慮

1. 匝數比選擇

在使用 (R{FB}/R{REF}) 電阻比設置輸出電壓時，可以相對自由地選擇變壓器匝數比。通常選擇匝數比以最大化可用輸出功率，但要確保 SW 引腳的電壓不超過其絕對最大額定值。對于低輸出電壓，可使用 N:1 匝數比以最大化變壓器的電流增益和輸出功率；對于較低的輸出功率水平，可以選擇 1:1 或 1:N 變壓器以減小變壓器尺寸。

2. 漏感問題

變壓器漏感會在輸出開關關閉后在初級側產生電壓尖峰，需要使用緩沖電路來避免輸出開關節點的過壓擊穿。RCD 鉗位電路是常用的緩沖電路，選擇緩沖網絡二極管時要注意 SW 引腳的最大電壓，肖特基二極管通常是最佳選擇。

3. 二次側漏感影響

二次側漏感會形成一個電感分壓器，有效減小用于反饋的初級參考反激脈沖的大小，從而增加輸出電壓目標。可以通過調整 (R{FB}/R{REF}) 電阻比來補償這種影響。

4. 繞組電阻影響

初級或次級的電阻會降低整體效率，但由于 LT3575 的邊界模式操作，輸出電壓調節不受繞組電阻的影響。

5. 雙股繞組

雙股繞組或類似的繞組技術可以最小化漏感，但會增加初級到次級的電容并限制初級到次級的擊穿電壓，因此并非總是實用。

（三）其他設計要點

1. 設置電流限制電阻

通過在 (R{ILIM}) 引腳和地之間放置一個電阻來設置最大電流限制。如果需要最大電流限制，使用 10k 電阻；對于較低的電流限制，可以使用公式 (R{ILIM}=65 cdot 10^{3}(3.5A - I_{LIM}) + 10k) 來計算電阻值。

2. 欠壓鎖定（UVLO）

SHDN/UVLO 引腳連接到一個與 (V{IN}) 相連的電阻分壓器。當 (V{IN}) 上升時，SHDN/UVLO 引腳的電壓閾值為 1.22V。為了引入遲滯，當引腳電壓低于 1.22V 時，LT3575 會從 SHDN/UVLO 引腳吸取 2.8μA 的電流。可以通過連接一個小 NMOS 到 UVLO 引腳來實現外部運行/停止控制。

3. 最小負載要求

LT3575 通過變壓器在次級繞組導通電流時獲取輸出電壓信息，因此需要有一定的最小負載。如果預加載不可接受，可以使用一個齊納擊穿電壓比輸出電壓高 20% 的齊納二極管作為最小負載。

4. BIAS 引腳考慮

對于輸入電壓小于 15V 的應用，BIAS 引腳通常直接連接到 (V{IN}) 引腳；對于輸入電壓大于 15V 的應用，建議將 BIAS 引腳與 (V{IN}) 引腳分開，此時 BIAS 引腳通過內部 LDO 調節到 3V。在一些輸入電壓較高的應用中，可以使用第三繞組來驅動 BIAS 引腳，以提高系統效率。

5. 環路補償

LT3575 使用 (V{C}) 引腳上的外部電阻 - 電容網絡進行補償。典型值為 (R{C}=50k) 和 (C{C}=1.5nF)。選擇合適的 (R{C}) 和 (C_{C}) 值對于保證系統的穩定性和瞬態性能至關重要。

四、設計示例

（一）設計需求

輸入電壓范圍為 20V 至 28V，輸出為 5V、1A。

（二）設計步驟

1. 選擇變壓器匝數比

根據開關電壓應力 (V{SW(MAX)}=V{IN}+N(V{OUT}+V{F})<50V) 和轉換器輸出能力公式，選擇合適的匝數比。經過計算，選擇初級:次級:BIAS = 3:1:1 的匝數比。

2. 選擇變壓器初級電感

為了保證采樣輸出電壓的時間，需要滿足最小關斷時間 (t_{OFF(MIN)}) 大于 350ns，同時考慮開關頻率與輸出紋波的關系。在這個設計示例中，選擇最小初級電感以實現滿載時 200kHz 的標稱開關頻率，選用了 Würth Elektronik 的 750311458 作為反激變壓器。

3. 選擇輸出二極管和輸出電容

輸出二極管的電壓應力為 (V{D}=V{OUT}+frac{V_{IN}}{N})，平均二極管電流為負載電流。選擇輸出電容時要考慮輸出電壓紋波和電容的尺寸、成本。

4. 選擇緩沖電路

使用 RCD 緩沖電路來鉗位開關電壓尖峰，調整緩沖電阻使尖峰持續時間約為 150ns。

5. 選擇反饋電阻

根據電阻表選擇反饋電阻 (R{FB})，將輸出電壓編程為 5V，并調整 (R{TC}) 電阻進行輸出電壓的溫度補償。

6. 優化補償網絡

通過調整補償網絡來優化瞬態性能，選擇補償電容不小于 1.5nF，補償電阻不大于 50k。

7. 其他元件選擇

使用電流限制電阻 (R_{LIM}) 降低電流限制，選擇軟啟動電容幫助反激轉換器啟動，選擇 UVLO 電阻分壓器以適應預期的輸入操作范圍。

五、典型應用電路

文檔中給出了多個典型應用電路，包括低輸入電壓 5V 隔離反激轉換器、±12V 隔離反激轉換器、5V 隔離反激轉換器、3.3V 隔離反激轉換器、12V 隔離反激轉換器、四輸出 12V 隔離反激轉換器以及 13V 至 30VIN、+5V/ - 5VOUT 隔離反激轉換器等。這些電路為工程師們提供了實際應用的參考。

六、相關部件

文檔還介紹了一些相關部件，如 LT3574/LT3573、LT3957/LT3958、LT3757/LT3758、LT1737/LT1725、LT3825/LT3837、LTC3803/LTC3803 - 3、LTC3803 - 5、LTC3805/LTC3805 - 5 等，這些部件在不同的應用場景中可能會有不同的優勢。

通過對 LT3575 的詳細介紹，我們可以看到它在隔離反激式轉換器設計中的優勢和靈活性。在實際設計中，工程師們需要根據具體的應用需求，合理選擇變壓器、電阻、電容等元件，以實現最佳的性能和穩定性。希望這篇博文能為電子工程師們在使用 LT3575 進行設計時提供一些幫助。你在使用 LT3575 進行設計時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。