中心議題：
- 高密度隔離式DC/DC電源轉(zhuǎn)換技術(shù)取得了巨大進(jìn)步
- 介紹隔離式正激轉(zhuǎn)換器、反激轉(zhuǎn)換器的電路組成、功能
- 總結(jié)本文并得出相應(yīng)結(jié)論
解決方案：
- 在副端采用 LTC3706 控制器，在主端采用自啟動(dòng) LTC3725 智能驅(qū)動(dòng)器
- 采用反激拓?fù)湓O(shè)計(jì)隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器
過(guò)去20年來(lái)，高密度隔離式DC/DC電源轉(zhuǎn)換技術(shù)取得了巨大進(jìn)步。20年前，功率密度為 30W/in3 的全磚和半磚 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的推出在用戶和提供電源產(chǎn)品的公司中引起了巨大的反響。這些轉(zhuǎn)換器除了應(yīng)用于電信設(shè)備以外，還開(kāi)創(chuàng)了在數(shù)據(jù)通信和工業(yè)系統(tǒng)中采用分布式電源架構(gòu)的先河。很多提供電源產(chǎn)品的公司經(jīng)歷了幾年艱苦的開(kāi)發(fā)工作后，將產(chǎn)品推向了市場(chǎng)，他們研發(fā)了自己的磁性元件、拓?fù)浜涂刂齐娐?，總是在努力超過(guò)自己以前的產(chǎn)品和來(lái)自競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的同類產(chǎn)品。今天，這類產(chǎn)品的占板面積已有 1/4、1/8、1/16 磚等類型了。現(xiàn)在，幾乎每個(gè)電源廠商都有高密度隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品線，這些產(chǎn)品線或者是通過(guò)收購(gòu)其他公司獲得，或者是內(nèi)部開(kāi)發(fā)的，目前，這類產(chǎn)品的功率密度已經(jīng)超過(guò) 200W/in3了。
特定應(yīng)用拓?fù)?DC/DC 控制器的推出，MOSFET 開(kāi)關(guān)、VDS 額定值和 RDS(ON) 的改進(jìn)，以及 Pulser Engineering、Coilcraft、Tokin 等公司提供的現(xiàn)售平面電源變壓器和電感器，為設(shè)計(jì)師提供了不同的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器開(kāi)發(fā)途徑。人們常常需要自制隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，需要完全控制所用組件，以在產(chǎn)品的整個(gè)壽命周期內(nèi)保證質(zhì)量和設(shè)計(jì)完整性。其它原因還包括需要標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品不提供的附加功能，或需要特殊的外形尺寸，以及降低成本。
隔離式正激轉(zhuǎn)換器
高密度隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器最流行的拓?fù)渲皇钦まD(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器可以提供高達(dá) 500W 的功率，在有些情況下還能提供更高的功率。凌力爾特公司提供單開(kāi)關(guān)和雙開(kāi)關(guān)正激式控制器，這些控制器用主端和副端電路實(shí)現(xiàn)同步 MOSFET 的控制、定時(shí)和驅(qū)動(dòng)。這些控制器電路具有同步整流和多項(xiàng)(PolyPhase)交錯(cuò)功率級(jí)。不過(guò)，正激轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在也能提供同樣的功能。LTC3706 副端同步控制器及其伴隨器件主端智能驅(qū)動(dòng)器 LTC3725 可以用來(lái)開(kāi)發(fā)具有降壓型轉(zhuǎn)換器性能的隔離式正激轉(zhuǎn)換器。
如圖 1 所示，1/8 磚演示電路 DC1031A-B在副端采用了 LTC3706 控制器，在主端采用了自啟動(dòng) LTC3725 智能驅(qū)動(dòng)器。輸出電壓開(kāi)始上升時(shí)，副端控制器 LTC3706 通過(guò) T1、D1和 Q2迅速加電。然后 LTC3706 通過(guò)信號(hào)變壓器 T2 向主端驅(qū)動(dòng)器 LTC3725發(fā)送 PWM 柵極編碼脈沖，以承擔(dān)控制輸出電壓的任務(wù)。接著，LTC3725 作為一個(gè)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)器工作，通過(guò) T2 接收輸入信號(hào)和偏置電源信號(hào)。圖 1 還給出了這個(gè) 3.3V 輸出電路的效率曲線。輸出電壓范圍為 0.6V~52V，視輸出電壓的不同，在固定工作頻率時(shí)可以達(dá)到95%以上的效率，頻率可在 100kHz~500kHz 范圍內(nèi)選擇。
實(shí)現(xiàn)高密度隔離式DC/DC正激轉(zhuǎn)換器的另一種方法是采用 LT1952-1 主端控制器和 LTC3900 副端同步檢波器控制器(見(jiàn)圖 2)。這個(gè)電路可以用或不用實(shí)現(xiàn)輸出電壓反饋的光耦合器，不用光耦合器的電路如圖 2 所示，這個(gè)電路是個(gè)非常有用的總線轉(zhuǎn)換器，就中間總線轉(zhuǎn)換而言，可以接受 ±5% 的總體輸出電壓調(diào)節(jié)。下游存在負(fù)載點(diǎn)(POL)穩(wěn)壓器，而且負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器通常有 2:1 的輸入電壓范圍，因此，未經(jīng)嚴(yán)格調(diào)節(jié)的總線轉(zhuǎn)換器不會(huì)出現(xiàn)調(diào)節(jié)問(wèn)題，允許通過(guò)去掉光耦合器和有關(guān)驅(qū)動(dòng)器來(lái)簡(jiǎn)化電路，這樣還可以提高總體效率。輸出電壓反饋來(lái)自 T1變壓器額外的初級(jí)繞組。這個(gè)電路的效率高達(dá) 95%，圖 2 所示為不同輸出電壓時(shí)的情況。用光耦合器閉合反饋環(huán)路的直接輸出電壓檢測(cè)也可以納入，而且可以獲得好于 ±0.5% 的總體調(diào)節(jié)。這個(gè)單開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器以高達(dá) 500kHz 的開(kāi)關(guān)頻率工作，在高達(dá) 500W 的功率級(jí)時(shí)，可以產(chǎn)生1.23V~52V的輸出電壓。
隔離式同步和非同步
反激轉(zhuǎn)換器
設(shè)計(jì)隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的一個(gè)最簡(jiǎn)單且公認(rèn)的方法是采用反激拓?fù)洹＿@種拓?fù)渫ǔＳ糜诟哌_(dá) 80W 的功率級(jí)，僅需要一個(gè)磁性組件，即電源變壓器，無(wú)需輸出電感器，因此，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)并降低了成本。
圖 3 所示電路是DC1100A演示板，該電路將 18V~72V 的輸入轉(zhuǎn)換成隔離式 3.3V/3A 輸出，效率為 82%，占板面積為 1.6 英寸×0.55 英寸。這個(gè)設(shè)計(jì)采用了 LTC3803 電流模式反激 PWM 控制器和 LT4430 光耦合器驅(qū)動(dòng)器，這兩個(gè)器件都采用纖巧的6引腳 ThinSOT封裝。LTC3803 以固定的 200kHz 或 300kHz 頻率工作，具有非常低的啟動(dòng)電流，僅為 40mA。低啟動(dòng)電流的好處是，能夠用阻值高的輸入電阻和電容值低的電容器實(shí)現(xiàn)電源快速啟動(dòng)，而且電路尺寸較小，功耗較低。一旦該器件進(jìn)入工作狀態(tài)，就可以通過(guò)肖特基二極管和串聯(lián)電阻，用一個(gè)單獨(dú)的初級(jí)變壓器繞組供電，以進(jìn)一步提高效率。就非隔離式設(shè)計(jì)而言，輸出電壓通過(guò)相同的二極管和電阻電路，可以用來(lái)為 LTC3803 供電。
LTC3803 的過(guò)流保護(hù)門限電壓固定為10mV，這允許該器件使用低值、低功率電流檢測(cè)電阻(就 10W 輸出和 48V 輸入電壓設(shè)計(jì)而言，典型值為 68mΩ、1/4W)，從而進(jìn)一步降低了功耗。LTC3803 可以調(diào)節(jié)低至 0.8V 的輸出電壓，具有內(nèi)部軟啟動(dòng)功能，可降低浪涌電流，降低輸出電壓過(guò)沖。恒定頻率工作，一直保持至輕負(fù)載，從而在寬負(fù)載電流范圍內(nèi)產(chǎn)生較少的低頻噪聲?；?LTC3803 的電源具有可調(diào)斜率補(bǔ)償，以最低的輸出電容實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)。
LT4430 是光耦合器驅(qū)動(dòng)器，在 ±0.75% 容限時(shí)具有精確的 0.6V 電壓基準(zhǔn)，還含有高帶寬(9MHz)誤差放大器。這個(gè)器件將這 3 種功能組合到一個(gè)封裝中，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。LT4430 具有 3V~20V 的寬輸入電源電壓范圍，光耦合器驅(qū)動(dòng)器提供高達(dá) 10mA 的電流，并具有短路保護(hù)能力。
反激控制器LTC3805與 LTC3803 相比，具有更多功能，如工作頻率可編程、同步至外部時(shí)鐘、可調(diào)軟啟動(dòng)和可編程接通電壓。用戶在標(biāo)稱輸入電壓為 48V 的應(yīng)用中使用這個(gè)器件時(shí)，也許想對(duì)器件編程，以在較高的電壓而不是 9V(在欠壓閉鎖時(shí)通常是這樣)上接通。編程是通過(guò) RUN 引腳上的分壓器實(shí)現(xiàn)的。LTC3805 也是電流模式 PWM 控制器，啟動(dòng)時(shí)僅需要 40mA 電流。
對(duì)較高效率(高達(dá) 90%)的隔離式反激轉(zhuǎn)換器的需求日益增加。傳統(tǒng)上，在隔離式反激電源中同時(shí)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單性和高效率一直很難。實(shí)現(xiàn)高效率常常需要使用先進(jìn)的副端同步整流電路，這種電路一度只用于較高功率的應(yīng)用。這會(huì)增加器件數(shù)以及同步驅(qū)動(dòng)器、基準(zhǔn)電壓和通常用來(lái)保持隔離的光耦合電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜性。LT3825 和 LT3837 通過(guò)提供精確的同步整流定時(shí)、去除反饋環(huán)路中的光耦合器并保持卓越的調(diào)節(jié)和環(huán)路響應(yīng)，簡(jiǎn)化了低輸出電壓、中功率反激電源并提高了這類電源的性能。圖 4 是原理圖，以高達(dá) 90% 的效率將 48V 的標(biāo)稱輸入轉(zhuǎn)換成 3.3V/12A 輸出。這個(gè)解決方案還適用于 9V~36V 的輸入電壓范圍。
結(jié)語(yǔ)
廣泛提供的專用主端和副端控制集成電路允許各公司設(shè)計(jì)自己的高密度 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，而不必經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)師們幾年前還要經(jīng)歷的長(zhǎng)開(kāi)發(fā)周期。各公司自己設(shè)計(jì)隔離式電源轉(zhuǎn)換器可以完全控制設(shè)計(jì)和所用組件，能夠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品可能不提供的專門功能，并可以實(shí)現(xiàn)較低的總體成本。隨著特定拓?fù)淇刂破鳌F(xiàn)售平面磁性元件、專用電路、演示板以及 PCB 演示板 Gerber 文件的出現(xiàn)，用戶擁有了全面的電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)所需的產(chǎn)品，因此，開(kāi)發(fā)自己的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器就更容易了。
