LT3573：無光電耦合器的隔離反激式轉換器的卓越設計與應用

引言

在電子工程師的日常設計中，隔離反激式轉換器是一個常見且關鍵的組件。今天，我們將深入探討Linear Technology的LT3573，這是一款專為隔離反激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即可實現穩壓，為工程師們提供了一種高效、簡潔的解決方案。

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LT3573的特性與優勢

電氣特性

• 寬輸入電壓范圍：支持3V至40V的輸入電壓，適應多種電源環境。
• 集成NPN功率開關：內置1.25A、60V的NPN功率開關，減少外部組件數量，簡化設計。
• 邊界模式操作：采用邊界模式控制方法，在連續傳導模式和不連續傳導模式之間的邊界運行，提高負載調節能力，減少寄生電阻壓降導致的負載調節誤差，同時允許使用更小的變壓器，避免次諧波振蕩。
• 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，降低成本和電源物理尺寸，避免光耦合器的動態響應、非線性、單元間變化和老化等問題。
• 可編程功能：支持可編程軟啟動和功率開關電流限制，增強設計的靈活性。

封裝與散熱

采用熱增強型16引腳MSOP封裝，散熱性能良好，熱阻參數為(theta{JA}=50^{circ} C / W)，(theta{JC}=10^{circ} C / W)，確保在高功率應用中能有效散熱。

工作原理

輸出電壓檢測

LT3573通過檢測初級側反激脈沖波形來獲取隔離輸出電壓信息。當輸出開關關閉時，其集電極電壓上升，反激脈沖的幅度與輸出電壓、二極管正向電壓、變壓器匝數比等因素有關。通過外部電阻RREF和RFB將反激電壓轉換為電流，進而形成接地參考電壓，輸入到反激誤差放大器進行采樣和比較。

邊界模式控制

在邊界模式下，開關在電感電流達到VC引腳控制的電流限制時關閉，當次級側繞組電流降為零時，開關再次開啟。這種模式使得次級電流在每個周期都能歸零，減少寄生電阻壓降對負載調節的影響，同時允許使用更小的變壓器。

溫度補償

為補償二極管正向壓降的負溫度系數，通過在TC引腳連接一個電阻到地，產生一個與絕對溫度成正比的電流源，注入到RREF節點，從而實現輸出電壓的溫度補償。

應用信息

誤差放大器理論

• 偽DC理論：通過RREF和RFB電阻編程輸出電壓，反激誤差放大器在次級側繞組電流為零時采樣輸出電壓信息，利用帶隙電壓作為參考電壓，通過反饋調節使RREF電阻上的電壓接近帶隙參考電壓，從而實現輸出電壓的穩定。
• 動態理論：由于反饋環路的采樣特性，需要滿足一些時序信號和約束條件。例如，為保證采樣時間，初級側磁化電感必須大于一定值；為避免變壓器漏感引起的電壓尖峰影響輸出調節，引入了150ns的固定延遲進行消隱。

變壓器設計

• 匝數比選擇：選擇合適的變壓器匝數比可以最大化可用輸出功率，但需要考慮SW引腳的電壓限制，避免內部功率開關擊穿。對于低輸出電壓，可使用N:1匝數比以提高變壓器的電流增益；對于低輸出功率，可選擇1:1或1:N變壓器以減小尺寸。
• 漏感處理：變壓器漏感會導致輸出開關關閉后在初級側出現電壓尖峰，通常需要使用RCD鉗位電路來防止功率器件過壓擊穿。選擇合適的鉗位二極管至關重要，應確保漏感尖峰始終低于60V。
• 繞組電阻影響：初級或次級繞組的電阻會降低整體效率，但由于LT3573的邊界模式操作，輸出電壓調節不受繞組電阻影響。

其他設計考慮

• 電流限制電阻設置：通過在RILIM引腳和地之間連接一個電阻來設置最大電流限制，提供了選擇標準變壓器的靈活性。
• 欠壓鎖定（UVLO）：SHDN/UVLO引腳連接到電阻分壓器，用于設置LT3573的最小輸入電壓。通過調節電阻值可以實現用戶可調的滯后特性。
• 最小負載要求：LT3573需要定期開啟以采樣輸出電壓，因此輸出需要有1%至2%的最大負載作為最小負載。
• 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VIN引腳；對于輸入電壓大于15V的應用，建議將BIAS引腳與VIN引腳分開，通過內部LDO將BIAS引腳電壓調節到3V，以減小電容器的物理尺寸。
• 環路補償：使用外部電阻 - 電容網絡在VC引腳進行補償，典型值為(R{C}=50 k)和(C{C}=1 nF)。選擇合適的RC值對于提高系統的穩定性和瞬態性能至關重要。

設計示例

以一個輸入電壓為20V至28V，輸出為5V、1A的轉換器設計為例，詳細介紹了設計步驟：

1. 選擇變壓器匝數比：根據開關電壓應力和輸出電流能力，選擇初級:次級:BIAS = 3:1:1的匝數比。
2. 選擇變壓器初級電感：為滿足輸出電壓采樣時間要求，計算最小初級電感，并根據目標開關頻率選擇合適的電感值。
3. 選擇輸出二極管和輸出電容：根據輸出電壓和負載電流選擇合適的輸出二極管和輸出電容，以減小輸出電壓紋波。
4. 選擇緩沖電路：使用RCD緩沖電路來鉗位開關電壓尖峰，調整緩沖電阻以控制尖峰幅度和持續時間。
5. 選擇反饋電阻：根據輸出電壓要求，使用電阻表選擇合適的反饋電阻RFB，并調整RTC電阻進行溫度補償。
6. 優化補償網絡：調整補償網絡以提高系統的瞬態性能，選擇合適的補償電容和電阻。
7. 選擇電流限制電阻、軟啟動電容和UVLO電阻分壓器：根據設計需求選擇合適的電流限制電阻、軟啟動電容和UVLO電阻分壓器。

典型應用

文檔中提供了多種典型應用電路，包括不同輸入輸出電壓、功率的隔離反激式轉換器，如5V、±12V、3.3V、12V、300V等輸出的轉換器，為工程師們提供了豐富的設計參考。

總結

LT3573作為一款無光電耦合器的隔離反激式轉換器，具有諸多優勢，如寬輸入電壓范圍、集成功率開關、邊界模式操作、可編程功能等。在設計過程中，需要綜合考慮變壓器設計、誤差放大器理論、溫度補償、電流限制、欠壓鎖定等因素，以實現高效、穩定的電源設計。通過本文的介紹，相信電子工程師們對LT3573有了更深入的了解，能夠更好地應用這款芯片進行電源設計。你在使用LT3573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。