引言
    包括電信和數(shù)據(jù)通信在內(nèi)的眾多 DC/DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用都需要隔離式輸出。許多數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)通過一根 48V 總線來分配功率，而且由于存在大量可用的 48V 功率，因此必需進(jìn)行從該總線至子系統(tǒng)工作電壓的隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換，以增強(qiáng)可靠性并在發(fā)生故障或短路的情況下提供安全保護(hù)。在系統(tǒng)內(nèi)部的每塊外設(shè)板卡之上一般都布設(shè)有一根隔離式中間總線轉(zhuǎn)換器，用于向負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器提供一個(gè)較低的總線電壓。這些中間總線轉(zhuǎn)換器的功率有可能從幾瓦到幾百瓦不等，而且通常是 DC/DC 模塊。此類模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的焊腳和結(jié)構(gòu)封裝，從而使其成為一種快速適用型解決方案。這可能意味著工程設(shè)計(jì)時(shí)間的縮短以及產(chǎn)品面市進(jìn)程的加快，然而，電源模塊會招致額外的成本，而且在大多數(shù)場合中模塊制造商都不允許客戶控制模塊內(nèi)部所使用的組件。MOSFET、二極管或變壓器等內(nèi)部組件的變更有可能顯著地改變模塊的 EMI 特性。此外，模塊內(nèi)部的此類變更在標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)流程測試程序中常常發(fā)現(xiàn)不了。不過，功率轉(zhuǎn)換技術(shù)的近期發(fā)展已使較低功率隔離型轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)大為簡化，并允許對設(shè)計(jì)中所采用的全部組件進(jìn)行控制。

而且，對于那些需要將接地點(diǎn)與噪聲輸入電壓 (例如：汽車電池和工業(yè)輸入) 分離開來的噪聲敏感型器件而言，隔離也可能是必要的。除此之外，顯示器、可編程邏輯控制器、GPS 系統(tǒng)以及某些醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備也都會遭受噪聲總線電壓的負(fù)面影響。

在隔離型 DC/DC 應(yīng)用中廣泛使用反激式轉(zhuǎn)換器已有多年；然而，它們卻未必是設(shè)計(jì)人員的首選。電源設(shè)計(jì)師選用反激式轉(zhuǎn)換器并不是因?yàn)樗鼈兛山档驮O(shè)計(jì)難度，而是迫于較低功率隔離要求的壓力，實(shí)乃不情愿之舉。由于控制環(huán)路中眾所周知的右半平面零點(diǎn)的原因，反激式轉(zhuǎn)換器存在穩(wěn)定性問題，而且光耦合器的傳播延遲、老化和增益變化還會使該問題進(jìn)一步復(fù)雜化。此外，反激式轉(zhuǎn)換器還需要專門花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行變壓器的設(shè)計(jì)，而由于可供選擇的市售變壓器品種有限且有可能需要定制變壓器，所以導(dǎo)致此項(xiàng)設(shè)計(jì)工作變得愈發(fā)復(fù)雜。不過，凌力爾特公司近期發(fā)布的 LT3748 隔離型反激式控制器解決了此類反激式設(shè)計(jì)的諸多難題。

新型反激式 IC 簡化了設(shè)計(jì)
    首先，LT3748 免除了增設(shè)光耦合器、副端基準(zhǔn)電壓和電源變壓器附加第三繞組的需要，同時(shí)保持了主端與副端之間的隔離 (只有一部分必須橫跨隔離勢壘)。LT3748 運(yùn)用了一種主端檢測方案，該方案能通過反激式變壓器主端開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形來檢測輸出電壓。在開關(guān)斷開期間，輸出二極管負(fù)責(zé)向輸出端提供電流，而輸出電壓被反射至反激式變壓器的主端。開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的數(shù)值是輸入電壓與反射輸出電壓之和 (LT3748 能夠重構(gòu))。這種輸出電壓反饋技術(shù)在整個(gè)線路電壓輸入范圍、溫度范圍以及一個(gè) 2% 至 100% 的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于 ±5% 的總調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度。圖 1 示出了一款采用 LT3748 的反激式轉(zhuǎn)換器原理圖。

 
圖 1：采用主端輸出電壓檢測的 LT3748 反激式轉(zhuǎn)換器

LT3748 可接受一個(gè) 5V 至 100V 的輸入電壓，處于該范圍內(nèi)的輸入電壓可以直接施加至 IC，而無需使用一個(gè)串聯(lián)降壓電阻器。由于具有高電壓板上 LDO 并采用 MSOP-16 封裝 (去掉了 4 個(gè)引腳以實(shí)現(xiàn)額外的高壓引腳間隔)，因此該器件能在高輸入電壓條件下可靠運(yùn)作。另外，這款器件的板上柵極驅(qū)動器可為一個(gè)外部 NPN 電源開關(guān)供電，使得它能夠提供高達(dá) 50W 左右的功率 (其最大輸出功率取決于外部組件選擇、輸入電壓范圍和輸出電壓)。

此外，LT3748 所運(yùn)用的邊界模式操作進(jìn)一步簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并縮減了總體轉(zhuǎn)換器的外形尺寸和占板面積。LT3748 反激式轉(zhuǎn)換器在副端電流減小至零之后立即接通其內(nèi)部開關(guān)，并在開關(guān)電流達(dá)到預(yù)定電流限值時(shí)關(guān)斷。于是，它始終工作在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 和不連續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM) 的轉(zhuǎn)換之時(shí)，這通常被稱為邊界模式或臨界導(dǎo)通模式。該器件的其他特點(diǎn)包括可編程軟起動、可調(diào)電流限值、欠壓閉鎖和溫度補(bǔ)償。輸出電壓由變壓器匝數(shù)比以及兩個(gè)與 RFB 和 RREF 引腳相連的外部電阻器設(shè)定。

主端輸出電壓檢測
    隔離型轉(zhuǎn)換器的輸出電壓檢測通常需要一個(gè)光耦合器和副端基準(zhǔn)電壓。光耦合器用于通過光鏈路來傳送輸出電壓反饋信號，同時(shí)保持隔離勢壘。然而，光耦合器傳輸比會隨著溫度和老化而有所改變，從而使其準(zhǔn)確度下降。光耦合器還引入了一個(gè)傳播延遲，進(jìn)而導(dǎo)致較慢的瞬態(tài)響應(yīng) (因部件的不同可能是非線性的)，這還會造成一款設(shè)計(jì)在不同的電路中表現(xiàn)出不同的特性。也可以采用一種使用附加變壓器繞組 (用于實(shí)現(xiàn)電壓反饋) 的反激式設(shè)計(jì)，以代替光耦合器對反饋環(huán)路實(shí)施補(bǔ)償。然而，這個(gè)附加的變壓器繞組會增加變壓器的尺寸和成本。

LT3748 通過檢測變壓器主端上的輸出電壓免除了增設(shè)一個(gè)光耦合器或附加變壓器繞組的需要。如圖 2 所示，輸出電壓可在功率晶體管關(guān)斷期間的主端開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形上準(zhǔn)確地測量，其中的 N 為變壓器的匝數(shù)比，VIN 為輸入電壓，而 VC 為最大箝位電壓。

 
圖 2：典型的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形

邊界模式操作縮減了轉(zhuǎn)換器尺寸并改善了調(diào)節(jié)性能
    邊界模式控制是一種可變頻率電流模式開關(guān)方案。當(dāng)內(nèi)部電源開關(guān)接通時(shí)；變壓器電流增加，直至達(dá)到其預(yù)設(shè)電流限值設(shè)定點(diǎn)為止。SW 引腳上的電壓上升至 “輸出電壓 / 變壓器副端-主端匝數(shù)比” + “輸入電壓”。當(dāng)流過二極管的副端電流減小至零時(shí)，SW 引腳電壓下降至低于 VIN。內(nèi)部 DCM 比較器檢測到這一情況并重新接通開關(guān)，從而重復(fù)該循環(huán)。

邊界模式在每個(gè)周期的末端使副端電流歸零，因而使得寄生阻性壓降不會引起負(fù)載調(diào)節(jié)誤差。此外，主端反激式開關(guān)始終在零電流時(shí)接通，而且輸出二極管沒有反向恢復(fù)損耗。功率損失的這種減少使得反激式轉(zhuǎn)換器能夠在一個(gè)較高的開關(guān)頻率下運(yùn)作，這反過來又縮減了變壓器的尺寸 (相比于較低頻率的替代設(shè)計(jì)方案)。圖 3 示出了 SW 電壓和電流以及輸出二極管中的電流。

 
圖 3：邊界模式中的反激式轉(zhuǎn)換器波形

由于始終在二極管電流零交叉點(diǎn)上進(jìn)行反射輸出電壓的采樣，因此負(fù)載調(diào)節(jié)性能在邊界模式操作中得到了大幅度的改善。LT3748 通?？商峁?±3% 的負(fù)載調(diào)節(jié)。

變壓器的選擇和設(shè)計(jì)考慮因素
    就 LT3748 的成功應(yīng)用而言，變壓器的規(guī)格和設(shè)計(jì)可能是最為關(guān)鍵的部分了。除了處理高頻隔離型電源變壓器設(shè)計(jì)的常見注意事項(xiàng) (實(shí)現(xiàn)低漏電感和緊密耦合) 之外，還必須嚴(yán)格控制變壓器的匝數(shù)比。由于變壓器副端上的電壓是由主端上的采樣電壓推知的，因此必須嚴(yán)格控制匝數(shù)比以確保獲得一致的輸出電壓。各變壓器之間 ±5% 的匝數(shù)比容差有可能在輸出電壓中產(chǎn)生超過 ±5% 的變化。幸運(yùn)的是，大多數(shù)磁性元件制造商都能夠保證 ±1% 或更好的匝數(shù)比容差指標(biāo)。

凌力爾特公司與主要的磁性元件制造商進(jìn)行了合作，以生產(chǎn)供 LT3748 使用的預(yù)設(shè)計(jì)型反激式變壓器。表 1 是一張縮略表，羅列了一些推薦使用的市售變壓器，制造商為 Wurth Electronics 和 Pulse Engineering 公司。完整列表請見 LT3748 產(chǎn)品手冊。這些變壓器一般能夠承受 1500VAC 的主端至副端擊穿電壓 (持續(xù)時(shí)間為一分鐘)。也可以使用擊穿電壓更高的變壓器和定制變壓器。

表 1：LT3748 采用的市售變壓器

    另外，凌力爾特還提供了名為 “LTspice” 的免費(fèi)仿真軟件，該軟件可從我們的網(wǎng)站下載。LT3748 可以采用表 1 中所列的任意變壓器來建模，能夠產(chǎn)生非常逼真的仿真結(jié)果，有助于簡化此類轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。仿真電路包含的信息有：電路啟動的方式、其在不同輸入電壓條件下對于負(fù)載階躍的反應(yīng)、以及共模電流在不同的情況下是怎樣流動的。借助該軟件，可以很容易地完成設(shè)計(jì)變更并了解相關(guān)的變更對于其電路性能的影響。

變壓器漏電感
    在電源開關(guān)斷開之后，變壓器主端或副端上的漏電感會在主端上引發(fā)一個(gè)電壓尖峰。在必須消耗更多儲能的較高負(fù)載電流條件下，該電壓尖峰將變得愈發(fā)突出。通過變壓器繞組的緊密耦合可以最大限度地減小漏電感，并可通過讀出一個(gè)變壓器繞組上的電感 (使其他繞組短路) 來測量漏電感。

下面圖 4 中示出的簡單 RCD (電阻器、電容器和二極管) 箝位電路可防止漏電感尖峰超過功率器件的擊穿電壓。所有的 LT3748 應(yīng)用電路中都包括此電路，而肖特基二極管則因其快速接通時(shí)間而常常成為吸振器的最佳選擇。

 
圖 4：RCD 箝位電路

圖 5 示出了一款采用 LT3748 的演示電路板。該電路可接受一個(gè)范圍從 22V 至 75V 的輸入電壓，并在高達(dá) 2.5A 的電流條件下產(chǎn)生一個(gè)隔離型 12V 輸出。

 
圖 5：LT3748 應(yīng)用電路的照片 (尺寸：38mm x 19mm x 9.5mm)

結(jié)論
    盡管隔離型反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)對于設(shè)計(jì)工程師來說并不簡單；但是除了采用模塊或復(fù)雜的分立式實(shí)現(xiàn)方案之外，如今我們有了一種替代方案?；?LT3748 的電路無需光耦合器、副端基準(zhǔn)電壓和電源變壓器的附加第三繞組，因而顯著地簡化了隔離型反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。該器件保持了主端至副端隔離 (只有一部分橫跨隔離勢壘)。容易購置的市售變壓器避免了采用定制變壓器的需要。LT3748 具有一個(gè) 5V 至 100V 的工作輸入電壓范圍，并能夠提供高達(dá) 50W 左右的連續(xù)輸出功率，從而使其成為眾多電信、數(shù)據(jù)通信和工業(yè)應(yīng)用的合適之選。