隔离型分立式正向 DC/DC 设计需要极少外部组件

引言

过去 25 年来，高密度隔离型 DC/DC 转换器已经发生了显著变化。25 年前，全砖和半砖外形尺寸的推出吸引了人们蜂拥而至，将其用于电信、数据通信、工业和医疗系统中的分布式电源架构中，在这类系统中，总线电压供给系统中的每一块电路板，而且每个电路板都有自己的隔离型 DC/DC 转换器。很多这类砖结合了几百个器件，因此相比在 PCB 上设计分立式电源，使用这类砖会容易得多。那时，几家电源公司匆忙进入了这一市场，追赶这一领域的领导者。很多公司经历了几年艰苦细致的开发，将产品推向了市场，开发了自己的磁性组件、拓扑和控制电路，并始终试图超越同类产品。这些产品很多最终与同类产品有相同的占板面积，还有一些拥有获得专利的尺寸和引出脚配置。最后，这些产品扩展至包括 1/4、1/8 和 1/16 砖，以及视所需输出功率不同而有无数变化的其他尺寸。

不过，随着专用 DC/DC 控制器和单片器件的推出以及现成有售的平面电源变压器和电感器的出现，使分立式设计比以前容易多了。实际上，隔离型反激式设计可以用 15 个器件实现，正向转换器则需要 20 个器件。在新的专用控制器和单片器件时代，设计师拥有了开发隔离型 DC/DC 转换器的各种不同途径。改善的 MOSFET 开关、 VDS 额定值和 RDS(ON) 也使得实现这类分立式设计更容易了。有些设计在反馈环路中也不再需要光耦合器或信号变压器了，而且很多设计可以用于军事应用，在 -55°C 至 150°C 的温度范围内工作。

很多 DC/DC 转换器应用都需要隔离输出，而不仅是电信和数据通信规定了 48V 隔离要求。对于需要把地和带噪声的输入电压隔离之噪声敏感型设备而言，例如汽车电池、中间总线和工业输入，隔离是必要的。具噪声的总线电压可能对显示器、可编程逻辑控制器、GPS 系统以及一些医疗监视设备造成负面影响。用于检查的相机、牙科仪器、睡眠和生命体征监视器等都有显示器，都可能受到带噪声的电源电压之不利影响。然而，隔离型电源提供了与地的隔离，可消除噪声引起的显示器异常。

凌力尔特有全线的特定拓扑控制器，可用在隔离型高密度 DC/DC 转换器中，以实现反激式、正向、推挽、全桥式拓扑。有些版本有同步整流，有些则没有，大多数没有光耦合器，有些用信号变压器闭合反馈环路，另一些则检测来自主端变压器绕组的输出电压。这些控制器提供两种基本输入电压范围，一种用于工业市场 (9V 至 32V)，另一种用于电信 / 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。凌力尔特为所有这些拓扑以及 1.2V 至 48V 的输入电压和输出电压提供预制设计。用户可以获得每种设计的演示电路板、电气原理图、用料单以及 Gerber 文件。快速起动指南提供性能曲线，包括负载 / 电压调节、纹波和噪声、效率和瞬态响应。

隔离型正向转换器

在隔离型高密度 DC/DC 转换器中最流行使用的拓扑之一是正向转换器。凌力尔特提供几种类型的正向控制器，有些用单个主端 IC 实现控制，另一些则同时有主端和副端 IC，以实现控制、定时以及驱动同步 MOSFET。具备同步整流和多相交错功率级的最新控制器 IC 使降压型转换器实现了简单性、高效率和快速瞬态响应，因此设计师长久以来一直很受益。现在正向转换器也具备了降压型转换器这些优点，不久前推出的 LT8310 就是一个例子，该器件可构成组件数很少的应用。实际上，图 1 中的 LT8310 原理图仅用了 20 个组件，就构成了一个输出功率高达 78W 的隔离型正向转换器。

图 1：LT8310 隔离型正向转换器仅用 20 个组件就可提供 78W 输出功率

这个电路用标称 48V 输入以高达 6.5A 电流产生 12V 输出，效率高达 92%。这款主端正向控制器具备谐振复位运行功能，在 6V 至 100V 输入电压范围内工作，以提供高达 200W 功率为目标。这款器件可用在同步或非同步应用中。就同步运行而言，LT8310 通过脉冲变压器向副端 MOSFET 驱动器发送控制信号以实现同步整流定时。同步设计对较高功率或较低输出电压应用最有利。无需使用光耦合器，就可实现 ±8% 的输出电压调节，如图 2 所示。

图 2：图 1 原理图中 LT8310 的输出电压调节

使用光耦合器时，可以实现 ±1.5% 的调节。可编程伏-秒箝位针对变压器复位提供保护，以防止饱和并保护 MOSFET。这一功能优化了变压器和 MOSFET，减小了总体解决方案尺寸。LT8310 采用 TSSOP-20 封装，并去掉了几个引脚以提供高压间隔。

反激式转换器设计

在较低功率要实现甚至更简单的隔离型 DC/DC 转换器，可以使用反激式拓扑。反激式转换器很多年来一直广泛用于隔离型 DC/DC 应用，但这种转换器未必是设计师的首选。电源设计师之所以迫不得已选择反激式转换器，是因为必须满足较低功率隔离要求，而不是因为这种转换器更易于设计。因为控制环路中存在右半平面零点，所以反激式转换器有稳定性问题，而光耦合器的老化和增益变化使这一问题进一步复杂化了。反激式转换器需要在变压器设计上花费大量时间，由于通常现成有售的磁性组件可选范围有限，而且还有可能需要定制变压器，所以变压器设计任务更加复杂了。电源转换技术领域的最新进步已经使隔离型转换器更容易设计了。凌力尔特的 LT8302 隔离型反激式转换器消除了很多这类反激式设计的障碍。

LT8302 无需光耦合器、副端基准电压和额外的第三个变压器绕组，而且仅通过电源变压器这一个组件跨接在隔离势垒两端，就可保持主端和副端隔离。LT8302 采用主端检测方法，能够通过反激的主端开关节点波形检测输出电压。在开关断开时，输出二极管向输出提供电流，输出电压反射回反激式变压器的主端。开关节点电压的幅度是输入电压和反射回来的输出电压之和，LT8302 能够重建输出电压。这种输出电压反馈方法在整个电压、负载和温度变化范围内产生优于 ±5% 的总体稳压。图 3 显示了采用 LT8302 的反激式转换器原理图，该转换器仅用了 14 个外部组件。

图3：具主端输出电压检测的 LT8302 反激式转换器

LT8302 采用 8 引线耐热增强型 SO-8 封装，接受 2.8V 至 42V 输入电压。其具有坚固的 3.6A、65V 内部 DMOS 电源开关允许该器件提供高达 18W 左右的输出功率。

此外，LT8302 在轻负载时以低纹波突发模式 (Burst Mode®) 运行，这使静态电流降至仅为 106µA，因此在休眠模式、输出电压处于稳定状态时延长了电池运行时间。其他特点包括内部软启动和欠压闭锁。设定输出电压仅需要变压器匝数比和一个外部电阻器。

主端输出电压检测

隔离型转换器的输出电压检测通常需要光耦合器和副端基准电压。光耦合器通过光链路发送输出电压反馈信号，同时保持隔离势垒。不过，光耦合器传输比随温度及老化而变，这降低了准确度。不同光耦合器之间还有可能是非线性的，这导致不同电路之间增益 / 相位特性不同。采用额外变压器绕组实现电压反馈的反激式设计也可用来闭合反馈环路。然而，这个额外的变压器绕组增大了变压器的尺寸和成本，而且不能提供非常好的输出电压稳定度。

LT8302 在变压器主端检测输出电压，因此无需光耦合器或额外的变压器绕组。在功率晶体管断开时，在主端开关节点波形处可以准确地测量输出电压，如图 4 所示，其中 N 是变压器匝数比，VIN 是输入电压，VC 是最高箝位电压。

图 4：典型的开关节点波形

针对 LT8302 的变压器选择和设计考虑

变压器性能规格和设计对成功应用 LT8302 也许是最关键的。除了设计高频隔离型电源变压器通常需要注意的事项，即低泄漏电感和紧耦合，变压器匝数比也必须严格控制。

凌力尔特已经与几家磁性组件制造商展开合作，以生产能与 LT8302 一起使用的预设计反激式变压器。表 1 列出了一些推荐使用的现成有售 Wurth Electronik 变压器，这些变压器也列在 LT8302 数据表中。这些变压器一般能够在持续 1 分钟时间内承受 1500VAC 主端至副端击穿电压。也可以使用击穿电压更高的变压器和定制变压器。

表 1：可与 LT8302 一起使用的现成有售变压器

结论

广泛提供的专用控制 IC 已经使各公司能够设计自己的高密度 DC/DC 转换器，而不必经历设计师几年前还必须面对的漫长开发周期。各公司允许其设计师全面控制设计和所用组件，从而使设计师能够设计标准产品也许不提供的特定功能，而且常常允许设计师实现更低的总体成本。随着特定拓扑控制器、现成有售平面磁性组件、专用电路、演示电路板以及 Gerber 文件的提供，用户现在有了全面的电源转换设计组件，从而可以更容易、更简便地生产自己的隔离型 DC/DC 转换器了。