高性能 Flybuck

提高 Flybuck 的性能

但是，我们如何才能进一步提高简单 Flybuck 的性能呢？本文介绍了三种不同的方法，可以单独使用，也可以同时使用。首先，使用反相拓扑会影响占空比范围，因此将提高许多应用的性能和效率。其次，增加同步整流器将减少次级侧损耗，并改善输出电压调节。最后一种方法将通过添加一个光耦合器来调节输出电压，从而进一步改善输出电压调节。

图 1 显示了采用[光耦合器]和次级同步整流的反相 Flybuck 的简化原理图。

图 1：高性能 Flybuck 的简化原理图

在 Flybuck 中，最小输入电压必须始终高于主输出电压。这通常会导致低输入电压的高占空比。这在许多 Flybuck 应用中是一个缺点，因为高占空比会大大增加峰值电流。因此，在大量漏感的情况下，Flybuck 可能无法在占空比高于 60% 的情况下使用。

幸运的是，还有另一种选择。可以使用反相 BuckBoost 代替 Buck，因为这将在许多应用中降低占空比。当然，只有当初级侧不需要正电压时，它才可以实现，因为 BuckBoost 会产生负初级电压。

每个同步降压控制器都可用于实现产生负输出电压的反相 BuckBoost。这只是让控制器工作所需的简单技巧。在标准降压器件中，输出电压连接到电感器，返回线连接到GND。对于反相 BuckBoost，只需将器件接地连接到负输出（而不是 GND），并在输入和负输出之间连接一个额外的电容器。（见图 1）。在此配置中，[降压]控制器将产生负输出电压。必须注意控制器的最大 VDD 电压额定值。输出处于稳压状态后，控制器以负输出为基准。因此，控制器看到的最大VDD电压是输入和输出电压之间的电压差。请注意，UVLO将无法正常工作，因为在此配置中，UVLO要低得多。

次级侧同步整流器

驱动次级侧同步整流器的方法有很多种。您可以添加一个单独的栅极驱动变压器来驱动次级同步 FET。如果初级控制器与外部初级[MOSFET]一起使用，则可以从初级侧获取驱动信号。

另一种方法是使用次级侧同步控制器，这种控制器价格昂贵，但通常可以完美地控制FET。比这两种方法更简单、更便宜的方法是在 Flybuck 变压器上添加栅极驱动绕组。这种“自我驱动”的技术只需要几美分，但不幸的是，这种简单的方法有一个缺点。时序无法完美控制，这可能会导致短的击穿电流。这将增加功耗并降低效率。电路应在实验室中进行验证，以确保在所有条件下安全运行。然而，与输出二极管相比，自驱动[同步整流器将提高]效率和输出电压调节。图1显示了自驱动同步FET的简单电路（以棕色突出显示）。

光耦合器反馈

在初级侧控制中，次级输出电压通过初级侧电压的耦合进行调节。次级输出仅由初级输出和 [变压器]控制。输出整流器或寄生元件（如漏感、绕组电阻、布局或其他组件）的压降无法补偿。因此，通常只能实现约5%至10%的输出电压调节。当需要更好的调节时，可以使用光耦合器来调节次级输出电压。

输出电压的调节是如何工作的？

图1所示为光耦合器稳压设计的简化电路。TL431 等 [误差放大器] （U3） 与光耦合器一起使用，以提供反馈环路隔离。由于线路或负载变化而导致的输出电压的微小变化可通过误差放大器的输入端检测，并与内部基准电压源进行比较。分压输出电压（R7、R8）和基准电压之间的差值被转换为误差电流。

该误差电流信号通过光耦合器传输到初级侧。在初级侧，控制器 （U1） 正在调节负初级电压。与次级侧类似，电阻分压器（R3、R4）用于测量输出电压并将其与控制器的内部基准电压进行比较。换句话说，有两条反馈路径，一条在初级侧，一条在次级侧。只需将光晶体管连接到初级侧电阻分压器即可将这两条反馈路径组合在一起（见图1）。

光电晶体管与高压侧电阻（R3）并联，因此，有效电阻只能减小。因此，必须谨慎选择初级侧电阻分压器。为了次级回路可以控制两个方向（增加和减少输出电压），初级回路本身必须调节高于所需水平的初级电压（绝对值）。这意味着必须将初级侧分压器设置为负输出电压的较高绝对值。因此，次级环路能够增加和减少瞬态期间所需的输出电压。

人气上升

Flybuck 拓扑结构在具有宽输入电压范围或宽功率电平范围的应用中尤为普遍，Flybuck 的性能有时不够。所提出的方法展示了改善这种隔离拓扑行为的方法。

德州仪器 （TI） 的 PMP30197 参考设计中显示了具有光耦合器反馈和同步整流的反相 Flybuck 的实际示例。峰值效率在92%以上（见图2），负载调整率优于1.5%。所有技术文件，如原理图、测试报告、BOM或Gerber文件都可以在这里下载。

图 2：效率参考设计PMP30197

审核编辑 黄宇