减少了组件数量的隔离式正向 DC/DC 转换器

发布日期:2015-03-24 21:20,查看次数:1057

过去 25 年,高密度隔离式 DC/DC 电源转换器已经发生了显著变化。全砖和半砖 DC/DC  转换器最初推出时,用户和电源公司都非常振奋。这类砖式  DC/DC  转换器纳入了数百个组件,非常容易使用,因而用户不必再自行设计。这类器件适用于电信应用,电信应用中的 –48V   输入需要隔离输入和输出,因为总线电压提供很大的功率。此外,这类转换器可在数据通信和工业系统中作为分布式电源架构的起点。与此同时,一些公司争先恐后 地进入了这一市场,追赶着这一领域的领导者。很多电源公司在过去几年中也在努力开发,以向市场推出新产品,这些公司设计了自己独有的磁性组件、拓扑以及控 制电路,   一直在努力超越以前的版本和同类产品。大多数产品的占板面积都相同,不过有些公司也开发了尺寸和引脚数不同的产品,并已获得专利。目前,这类器件的占板面 积已经多样化,包括  1/4、1/8 和 1/16 砖。

然而,随着专门针对应用拓扑的 DC/DC 控制器的推出,加之 Würth、Pulse Engineering、顶源电子等公司提供的现成有售平面电源变压器和电感器,产生自己的特有设计变得容易多了。事实上,一个隔离反激式转换器的设计可以用不到 15   个组件完成,而一个隔离式正向转换器的设计仅需不到 20  个组件。在这种可采用特定于应用的控制器和单片式器件的新时代,设计师有可能以不同方式开发隔离式 DC/DC  转换器。MOSFET  切换性能、VDS 额定值和 RDS(ON)   的改进也有助于更方便地完成分立式设计。此外,有些设计在反馈回路中也不再需要用光耦合器调节输出电压了。

不仅是必须满足 48V 隔离要求的电信和数据通信应用,多种 DC/DC   转换器应用也需要隔离式输出。对于需要隔离地与有噪声输入电压的噪声敏感设备,隔离可能是必不可少的,例如汽车电池、中间总线和工业输入应用。显示器、可 编程逻辑控制器  (PLC)、GPS   系统以及某些医疗监视设备可能都会受到有噪声总线电压的负面影响。体检影像设备、牙科仪器、睡眠和生命体征监视器等都有显示器,都有可能受到有噪声电源电 压的负面影响。隔离式电源提供的地隔离可以消除有可能引起显示异常的噪声。

一种新的发展方向

顶源电子提供全系列的特定拓扑控制器,这些器件可用于隔离式高密度 DC/DC   转换器,适合反激式、正向、推挽、全波桥式拓扑,有的版本有同步整流,有的则没有,有些使用光耦合器,有些则运用变压器闭合反馈环路。这些器件有两种基本 的输入电压范围,一种面向工业市场  (9V 至 32V),另一种面向电信 / 数据通信市场 (36V 至 75V),还有一些在 18V 至  75V  输入电压范围内工作。凌力尔特已经针对所有这些拓扑和输入电压范围预制了设计,这些设计的输出电压范围为 1.2V 至   48V。用户可以获得演示电路板、电气原理图以及用料单和用于 PCB 设计的 Gerbers 文件。《快速入门指南》提供各种性能曲线,包括负载 /   电压调节、纹波和噪声、效率和瞬态响应等。

隔离式高密度 DC/DC 转换器最常采用的拓扑之一是正向转换器。凌力尔特提供单开关和双开关正向控制器,这些控制器与主边和副边 IC  一起使用,实现对同步  MOSFET 的控制、定时和驱动。最新控制器 IC  提供了简单性、高效率和快速瞬态响应,降压型转换器设计师长期以来一直从中受益匪浅,这些控制器 IC   还具备同步整流和多相交错功率级。不过,这些功能现在也可用于正向转换器了,不久前推出的 LT8310   就是一个很好的例子,这款器件可用来构成组件数量较少的应用。实际上,以下图 1 所示 LT8310 仅用了 20   个外部组件,就组成了一个完整的隔离式正向转换器,并可提供高达 78W 的输出功率。

图 1:LT8310 隔离式正向转换器仅使用 20 个外部组件就可从 48V 输入提供 12V/6.5A 输出

图 1:LT8310 隔离式正向转换器仅使用 20 个外部组件就可从 48V 输入提供 12V/6.5A 输出

图 1 所示电路从标称 48V 输入在高达 6.5A 产生 12V 输出,效率为 92%。这款具备谐振复位功能的主边正向控制器在 6V 至  100V  的输入电压范围内工作,并针对高达 200W 的功率水平。该器件可用于同步和非同步应用。就同步工作而言,LT8310  通过一个脉冲变压器向副边 MOSFET   驱动器发送控制信号,以实现同步整流定时。同步设计对于较高功率或较低输出电压的应用最有利。无需使用光耦合器就可实现 ±8% 的输出电压稳定度,如图  2  所示。

图 2:图 1 原理图中 LT8310 的输出电压稳定度 (VOUT 为 12V)

图 2:图 1 原理图中 LT8310 的输出电压稳定度 (VOUT 为 12V)

当使用光耦合器时,可以实现 ±1.5% 的稳定度。可编程伏秒箝位为变压器复位提供了保障,可防止饱和并保护 MOSFET。这个功能允许优化变压器和  MOSFET,从而减小解决方案尺寸,并降低其成本。

无需光耦合器,LT8310 的伏秒箝位就可定义 VOUT,从而简化了设计,降低了隔离式应用的成本。在有输出电压反馈 (光隔离或直接连线)   的应用中,伏秒箝位设定为高于转换器的自然占空比,以提供安全的占空比范围,防止变压器在负载瞬态时饱和。就非隔离式应用而言,LT8310   提供一个电压误差放大器以及具正和负基准的反馈引脚,因此能够实现提供正或负输出电压、非常简单且完全稳定的正向转换器。其他特点包括可编程过流保护、可 调输入欠压、过压闭锁和内置过热停机功能。LT8310  以 100kHz 至 500kHz  的可编程开关频率工作,可同步至一个外部时钟,从而能够使用多种电感值的输出电感器和多种尺寸的变压器。LT8310  采用去掉了几个引脚的  TSSOP-20 封装,以提供高压间隔。

反激式设计

对于甚至在较低功率水平的更简单隔离式 DC/DC 转换器解决方案,可以采用反激式拓扑。反激式转换器多年来一直广泛用于隔离式 DC/DC   应用,然而这类转换器未必是设计师的首选。电源设计师通常被迫选择反激式转换器,是因为必须满足较低功率的隔离需求,而不是因为这类转换器更易于设计。由 于众所周知的控制环路右半平面零点问题,反激式转换器存在稳定性问题,而光耦合器的老化和增益变化使这个问题进一步复杂化。反激式转换器需要将大量时间用 于变压器设计,而现成有售变压器的可选范围有限,还有可能必须定制变压器,这又使这种设计任务变得更加复杂了。不过,电源转换技术领域的最新进步已经使得 较低功率隔离式转换更易于设计。例如,凌力尔特不久前推出的  LT8302 隔离反激式转换器。


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