LT3575：无光电耦合器的隔离反激式转换器设计指南

在电子设计领域，隔离反激式转换器是实现电源隔离的重要方案。今天我们要深入探讨的 Linear Technology LT3575，就是一款专为隔离反激式拓扑设计的单片开关稳压器，它无需光耦合器或变压器第三绕组就能实现稳压，为工程师们提供了一种高效、简洁的解决方案。

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一、LT3575 核心特性

（一）电气参数

• 宽输入电压范围：支持 3V 至 40V 的输入电压，适用于多种电源场景。
• 集成功率开关：内置 2.5A、60V 的 NPN 功率开关，减少了外部元件数量。
• 边界模式操作：采用边界模式控制方法，在连续导通模式和不连续导通模式之间的边界运行，提高了负载调节能力，同时允许使用更小的变压器。
• 无需光耦合器或第三绕组：通过检测初级侧反激脉冲波形获取隔离输出电压信息，简化了电路设计，降低了成本。

（二）其他特性

• 可编程功能：支持可编程软启动和可编程功率开关电流限制，增强了设计的灵活性。
• 热增强封装：采用 16 引脚 TSSOP 封装，具有良好的热性能。

二、工作原理

（一）输出电压检测

传统的隔离反激式电路通常需要光耦合器或额外的变压器绕组来将输出电压信息传递到初级侧。而 LT3575 通过检测初级侧反激脉冲波形来获取隔离输出电压信息，无需光耦合器或额外的变压器绕组。当输出开关关闭时，其集电极电压会上升，产生反激脉冲。这个反激脉冲的幅度与输出电压、二极管正向电压、变压器次级电流以及次级电路的总阻抗有关。通过外部电阻 (R{FB}) 和 (R{REF})，可以将反激脉冲转换为电流，并形成一个接地参考电压，该电压被输入到反激误差放大器中。误差放大器以 1.23V 的带隙电压为参考电压，通过比较这个参考电压和 (R_{REF}) 上的电压，来调节输出电压。

（二）边界模式操作

边界模式是一种可变频率、电流模式的开关方案。开关导通，电感电流增加，直到达到 (V{C}) 引脚控制的电流限制。当次级电流通过二极管降至零时，SW 引脚电压降至 (V{IN}) 以下，不连续导通模式（DCM）比较器检测到这个事件并重新导通开关。边界模式使次级电流在每个周期都归零，避免了寄生电阻压降导致的负载调节误差，同时允许使用比连续导通模式更小的变压器，且不会出现次谐波振荡。在低输出电流时，LT3575 会延迟开关导通，从而工作在不连续模式。

三、应用信息

（一）误差放大器理论

1. 伪 DC 理论

通过外部电阻 (R{REF}) 和 (R{FB}) 来编程输出电压。当输出开关关闭时，反激脉冲的幅度与输出电压、二极管正向电压、变压器次级电流以及次级电路的总阻抗有关。通过 (R{FB}) 和 Q2 将反激电压转换为电流，该电流几乎全部流经 (R{REF}) 形成接地参考电压，输入到反激误差放大器中。误差放大器以 1.23V 的带隙电压为参考电压，使 (R_{REF}) 上的电压接近带隙参考电压，从而实现输出电压的调节。

2. 动态理论

由于反馈环路的采样特性，LT3575 的正常运行需要满足一些时序信号和其他约束条件。

• 最小电流限制：为了保证采样电路有足够的时间采样输出电压，初级侧磁化电感必须大于一定值。最小电流限制比电气特性表中的值高，这是由于比较器延迟导致的过冲。
• 漏感消隐：当输出开关首次关闭时，由于变压器漏感的存在，会在初级侧产生一个与输出电压无关的快速电压尖峰。为了避免这些现象的影响，在开关关闭命令和采样开始之间引入了 150ns 的固定延迟。
• 选择 (R{FB}) 和 (R{REF}) 电阻值：可以通过公式 (R{FB}=frac{R{REF} cdot N{PS}[(V{OUT}+V{F})alpha + V{TC}]}{V{BG}}) 来计算 (R{FB}) 的值。通常 (R{REF}) 应约为 6.04k，若 (R{REF}) 的阻抗与 6.04k 相差较大，会产生额外的误差。

（二）变压器设计考虑

1. 匝数比选择

在使用 (R{FB}/R{REF}) 电阻比设置输出电压时，可以相对自由地选择变压器匝数比。通常选择匝数比以最大化可用输出功率，但要确保 SW 引脚的电压不超过其绝对最大额定值。对于低输出电压，可使用 N:1 匝数比以最大化变压器的电流增益和输出功率；对于较低的输出功率水平，可以选择 1:1 或 1:N 变压器以减小变压器尺寸。

2. 漏感问题

变压器漏感会在输出开关关闭后在初级侧产生电压尖峰，需要使用缓冲电路来避免输出开关节点的过压击穿。RCD 钳位电路是常用的缓冲电路，选择缓冲网络二极管时要注意 SW 引脚的最大电压，肖特基二极管通常是最佳选择。

3. 二次侧漏感影响

二次侧漏感会形成一个电感分压器，有效减小用于反馈的初级参考反激脉冲的大小，从而增加输出电压目标。可以通过调整 (R{FB}/R{REF}) 电阻比来补偿这种影响。

4. 绕组电阻影响

初级或次级的电阻会降低整体效率，但由于 LT3575 的边界模式操作，输出电压调节不受绕组电阻的影响。

5. 双股绕组

双股绕组或类似的绕组技术可以最小化漏感，但会增加初级到次级的电容并限制初级到次级的击穿电压，因此并非总是实用。

（三）其他设计要点

1. 设置电流限制电阻

通过在 (R{ILIM}) 引脚和地之间放置一个电阻来设置最大电流限制。如果需要最大电流限制，使用 10k 电阻；对于较低的电流限制，可以使用公式 (R{ILIM}=65 cdot 10^{3}(3.5A - I_{LIM}) + 10k) 来计算电阻值。

2. 欠压锁定（UVLO）

SHDN/UVLO 引脚连接到一个与 (V{IN}) 相连的电阻分压器。当 (V{IN}) 上升时，SHDN/UVLO 引脚的电压阈值为 1.22V。为了引入迟滞，当引脚电压低于 1.22V 时，LT3575 会从 SHDN/UVLO 引脚吸取 2.8μA 的电流。可以通过连接一个小 NMOS 到 UVLO 引脚来实现外部运行/停止控制。

3. 最小负载要求

LT3575 通过变压器在次级绕组导通电流时获取输出电压信息，因此需要有一定的最小负载。如果预加载不可接受，可以使用一个齐纳击穿电压比输出电压高 20% 的齐纳二极管作为最小负载。

4. BIAS 引脚考虑

对于输入电压小于 15V 的应用，BIAS 引脚通常直接连接到 (V{IN}) 引脚；对于输入电压大于 15V 的应用，建议将 BIAS 引脚与 (V{IN}) 引脚分开，此时 BIAS 引脚通过内部 LDO 调节到 3V。在一些输入电压较高的应用中，可以使用第三绕组来驱动 BIAS 引脚，以提高系统效率。

5. 环路补偿

LT3575 使用 (V{C}) 引脚上的外部电阻 - 电容网络进行补偿。典型值为 (R{C}=50k) 和 (C{C}=1.5nF)。选择合适的 (R{C}) 和 (C_{C}) 值对于保证系统的稳定性和瞬态性能至关重要。

四、设计示例

（一）设计需求

输入电压范围为 20V 至 28V，输出为 5V、1A。

（二）设计步骤

1. 选择变压器匝数比

根据开关电压应力 (V{SW(MAX)}=V{IN}+N(V{OUT}+V{F})<50V) 和转换器输出能力公式，选择合适的匝数比。经过计算，选择初级:次级:BIAS = 3:1:1 的匝数比。

2. 选择变压器初级电感

为了保证采样输出电压的时间，需要满足最小关断时间 (t_{OFF(MIN)}) 大于 350ns，同时考虑开关频率与输出纹波的关系。在这个设计示例中，选择最小初级电感以实现满载时 200kHz 的标称开关频率，选用了 Würth Elektronik 的 750311458 作为反激变压器。

3. 选择输出二极管和输出电容

输出二极管的电压应力为 (V{D}=V{OUT}+frac{V_{IN}}{N})，平均二极管电流为负载电流。选择输出电容时要考虑输出电压纹波和电容的尺寸、成本。

4. 选择缓冲电路

使用 RCD 缓冲电路来钳位开关电压尖峰，调整缓冲电阻使尖峰持续时间约为 150ns。

5. 选择反馈电阻

根据电阻表选择反馈电阻 (R{FB})，将输出电压编程为 5V，并调整 (R{TC}) 电阻进行输出电压的温度补偿。

6. 优化补偿网络

通过调整补偿网络来优化瞬态性能，选择补偿电容不小于 1.5nF，补偿电阻不大于 50k。

7. 其他元件选择

使用电流限制电阻 (R_{LIM}) 降低电流限制，选择软启动电容帮助反激转换器启动，选择 UVLO 电阻分压器以适应预期的输入操作范围。

五、典型应用电路

文档中给出了多个典型应用电路，包括低输入电压 5V 隔离反激转换器、±12V 隔离反激转换器、5V 隔离反激转换器、3.3V 隔离反激转换器、12V 隔离反激转换器、四输出 12V 隔离反激转换器以及 13V 至 30VIN、+5V/ - 5VOUT 隔离反激转换器等。这些电路为工程师们提供了实际应用的参考。

六、相关部件

文档还介绍了一些相关部件，如 LT3574/LT3573、LT3957/LT3958、LT3757/LT3758、LT1737/LT1725、LT3825/LT3837、LTC3803/LTC3803 - 3、LTC3803 - 5、LTC3805/LTC3805 - 5 等，这些部件在不同的应用场景中可能会有不同的优势。

通过对 LT3575 的详细介绍，我们可以看到它在隔离反激式转换器设计中的优势和灵活性。在实际设计中，工程师们需要根据具体的应用需求，合理选择变压器、电阻、电容等元件，以实现最佳的性能和稳定性。希望这篇博文能为电子工程师们在使用 LT3575 进行设计时提供一些帮助。你在使用 LT3575 进行设计时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。