利用无光反激转换器芯片简化隔离式DC/DC转换器的设计

除了用于电信和数据通信系统外，许多其他噪声敏感应用也需要隔离直流输出，如汽车电池充电，各种电子负载的中间总线电压和工业输入。虽然反激式拓扑结构在隔离式DC/DC转换器应用中很受欢迎，但由于其相对简单且与其他隔离拓扑结构相比成本低，因此设计传统的反激并不容易，因为变压器需要精心设计，并且环路补偿可能很复杂。此外，它需要一个光耦合器或额外的变压器绕组，用于从次级侧反馈输出电压，以保持输出精度。

光耦合器的传播延迟，老化和增益变化进一步使环路补偿和反激转换器的稳定性变得复杂，同时限制了转换器的瞬态响应。此外，光耦合器消耗功率并增加电源的成本和物理尺寸。设计具有额外绕组的高性能变压器可能需要花费大量时间，因为现成的变压器选择有限。最后，使用额外的绕组会增加变压器的物理尺寸和成本。

幸运的是，最近功率转换技术的进步使得低功耗隔离转换器更容易设计。通过采用初级侧感应方案并在边界模式下运行转换器，凌力尔特公司的无光反激转换器（如LT3574和LT8300）通过消除对光耦合器，外部MOSFET的需求，简化了反激式转换器的设计，次级侧参考电压和额外的变压器绕组。它的边界模式是一种可变频率，电流模式，控制开关方案（稍后会更多），也可以改善整个线路，负载和温度范围的调节。据Linear介绍，与等效连续导通模式（CCM）设计相比，边界模式还允许使用更小的变压器。这些反激式解决方案在隔离电源中很受欢迎，电源范围从不到一瓦到几十瓦不等。

初级侧检测

专为隔离式反激式架构而设计，单片LT3574可在3 V至40 V的输入电源电压下工作，无需外部电源开关即可提供高达3 W的输出功率，因为它集成了片内0.65 A，60 V NPN功率晶体管。输出电压很容易设置，两个外部电阻连接到RFB和RREF引脚，变压器匝数比如图1所示。

图1：无光反激转换器的输出电压可通过两个外部电阻和变压器匝数比轻松设置。

根据LT3574数据表中的描述，在功率晶体管关断期间，初级侧开关节点波形处精确测量输出电压（图2），其中N是变压器的匝数比，VIN是输入电压，VC是最大钳位电压。反向转换器在次级侧电流减小到零后立即打开其内部开关，并在开关电流达到预定义的电流限制时关闭。因此，器件始终在连续导通模式（CCM）和非连续导通模式（DCM）的转变下工作，通常称为边界模式或临界导通模式。

图2：初级侧开关节点波形。

Linear的解释表明边界模式控制是一种可变频率，电流模式切换方案。当内部电源开关打开时，变压器电流会增加，直到达到其预设的电流限制设定点。 SW引脚上的电压上升到输出电压除以次级到初级变压器匝数比加上输入电压。当通过二极管的次级电流降至零时，SW引脚电压降至VIN以下。内部DCM比较器检测到此事件并重新打开开关，重复该循环。

边界模式在每个周期结束时将次级电流返回到零，导致寄生电阻电压降不会引起负载调节误差。此外，主反激开关始终在零电流时导通，输出二极管没有反向恢复损耗。这种功率损耗的降低使反激式转换器能够以相对较高的开关频率工作，与低频替代设计相比，这反过来又减小了变压器的尺寸。

图3显示了使用LT3574的5 V反激式转换器的测量输出功率。数据表显示，采用3：1变压器绕组比，此设计实例在30 V输入电压时提供接近2.5 W的输出功率，在20 V输入时提供约2 W的输出功率。

图3：上图显示了使用LT3574的5 V输出隔离反激式转换器的输出功率与输入电压的关系。

变压器规格和设计可能是成功应用LT3574的最关键部分。由于变压器次级侧的电压是由初级侧的电压推断出来的，因此必须严格控制匝数比以确保输出电压一致。凌力尔特公司与领先的磁性元件制造商合作，生产用于LT3574的预先设计的反激变压器。 LT3574数据手册中的表格列出了许多用于各种输出电压和电流水平的现成变压器，这些变压器来自WürthElektronik和其他供应商。据Linear介绍，选择变压器匝数比使得转换器具有足够的电流能力和低于50 V的开关应力。表1显示了不同变压器匝数比下的开关电压应力和输出电流能力。

N V（MAX）V IN（MAX）IOUT（MAX）VIN（MIN）占空比1：1 33.5 V 0.34 A 16％~22％2：1 39 V 0.57 A 28％~35％3： 1 44.5 V 0.73 A 37％~45％4：1 50 V 0.84 A 44％~52％

表1：开关电压应力和输出电流能力与匝数比的关系。

为了简化从数据表表中列出的部件中选择正确的变压器的任务，可以使用列出的任何变压器对基于LT3574的DC/DC反激式转换器进行建模。通过从公司网站下载LTspice仿真软件的免费副本，设计人员可以模拟并产生逼真的结果，以确认变压器和反激式转换器的设计，Linear说。模拟电路包括有关电路如何启动的信息以及对不同输入电压的负载步骤的反应。根据Linear的说法，很容易做出改变并看到对转换器性能的影响。

高输入电压

对于输入电压高达100 V的电信，汽车，工业和医疗系统等应用，凌力尔特提供LT8300。为了简化隔离式反激式转换器解决方案，LT8300集成了260 mA，150 V DMOS电源开关，内部补偿网络，软启动电容和所有控制逻辑功能。因此，仅使用少量外部元件，该器件可在5 V时提供高达2 W的隔离输出功率（图4）。该转换器的输入电源电压范围为6 V至100 V.

图4：基于LT8300的隔离式反激式转换器不需要光耦合器，只需很少的外部元件即可提供稳定的5 V输出电压。

如图4所示，隔离输出电压可以通过一个外部电阻设置，补偿和软启动电路集成在转换器芯片中。低纹波突发模式操作可在轻负载条件下保持高效率，同时最大限度地降低输出电压纹波。¹使用少量外部元件，Linear的无光反激转换器芯片简化了低功耗隔离式DC/DC转换器的设计效率和严格的监管。此外，它们可以在宽输入电压范围内工作，输入电压高达100 V。