中心議題：
- 高密度隔離式DC/DC電源轉(zhuǎn)換技術(shù)取得了巨大進步
- 介紹隔離式正激轉(zhuǎn)換器、反激轉(zhuǎn)換器的電路組成、功能
- 總結(jié)本文并得出相應結(jié)論
解決方案：
- 在副端采用 LTC3706 控制器，在主端采用自啟動 LTC3725 智能驅(qū)動器
- 采用反激拓撲設計隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器
過去20年來，高密度隔離式DC/DC電源轉(zhuǎn)換技術(shù)取得了巨大進步。20年前，功率密度為 30W/in3 的全磚和半磚 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的推出在用戶和提供電源產(chǎn)品的公司中引起了巨大的反響。這些轉(zhuǎn)換器除了應用于電信設備以外，還開創(chuàng)了在數(shù)據(jù)通信和工業(yè)系統(tǒng)中采用分布式電源架構(gòu)的先河。很多提供電源產(chǎn)品的公司經(jīng)歷了幾年艱苦的開發(fā)工作后，將產(chǎn)品推向了市場，他們研發(fā)了自己的磁性元件、拓撲和控制電路，總是在努力超過自己以前的產(chǎn)品和來自競爭對手的同類產(chǎn)品。今天，這類產(chǎn)品的占板面積已有 1/4、1/8、1/16 磚等類型了?，F(xiàn)在，幾乎每個電源廠商都有高密度隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品線，這些產(chǎn)品線或者是通過收購其他公司獲得，或者是內(nèi)部開發(fā)的，目前，這類產(chǎn)品的功率密度已經(jīng)超過 200W/in3了。
特定應用拓撲 DC/DC 控制器的推出，MOSFET 開關(guān)、VDS 額定值和 RDS(ON) 的改進，以及 Pulser Engineering、Coilcraft、Tokin 等公司提供的現(xiàn)售平面電源變壓器和電感器，為設計師提供了不同的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器開發(fā)途徑。人們常常需要自制隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，需要完全控制所用組件，以在產(chǎn)品的整個壽命周期內(nèi)保證質(zhì)量和設計完整性。其它原因還包括需要標準產(chǎn)品不提供的附加功能，或需要特殊的外形尺寸，以及降低成本。
隔離式正激轉(zhuǎn)換器
高密度隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器最流行的拓撲之一是正激轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器可以提供高達 500W 的功率，在有些情況下還能提供更高的功率。凌力爾特公司提供單開關(guān)和雙開關(guān)正激式控制器，這些控制器用主端和副端電路實現(xiàn)同步 MOSFET 的控制、定時和驅(qū)動。這些控制器電路具有同步整流和多項(PolyPhase)交錯功率級。不過，正激轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在也能提供同樣的功能。LTC3706 副端同步控制器及其伴隨器件主端智能驅(qū)動器 LTC3725 可以用來開發(fā)具有降壓型轉(zhuǎn)換器性能的隔離式正激轉(zhuǎn)換器。
如圖 1 所示，1/8 磚演示電路 DC1031A-B在副端采用了 LTC3706 控制器，在主端采用了自啟動 LTC3725 智能驅(qū)動器。輸出電壓開始上升時，副端控制器 LTC3706 通過 T1、D1和 Q2迅速加電。然后 LTC3706 通過信號變壓器 T2 向主端驅(qū)動器 LTC3725發(fā)送 PWM 柵極編碼脈沖，以承擔控制輸出電壓的任務。接著，LTC3725 作為一個簡單的驅(qū)動器工作，通過 T2 接收輸入信號和偏置電源信號。圖 1 還給出了這個 3.3V 輸出電路的效率曲線。輸出電壓范圍為 0.6V~52V，視輸出電壓的不同，在固定工作頻率時可以達到95%以上的效率，頻率可在 100kHz~500kHz 范圍內(nèi)選擇?！?br />
實現(xiàn)高密度隔離式DC/DC正激轉(zhuǎn)換器的另一種方法是采用 LT1952-1 主端控制器和 LTC3900 副端同步檢波器控制器(見圖 2)。這個電路可以用或不用實現(xiàn)輸出電壓反饋的光耦合器，不用光耦合器的電路如圖 2 所示，這個電路是個非常有用的總線轉(zhuǎn)換器，就中間總線轉(zhuǎn)換而言，可以接受 ±5% 的總體輸出電壓調(diào)節(jié)。下游存在負載點(POL)穩(wěn)壓器，而且負載點穩(wěn)壓器通常有 2:1 的輸入電壓范圍，因此，未經(jīng)嚴格調(diào)節(jié)的總線轉(zhuǎn)換器不會出現(xiàn)調(diào)節(jié)問題，允許通過去掉光耦合器和有關(guān)驅(qū)動器來簡化電路，這樣還可以提高總體效率。輸出電壓反饋來自 T1變壓器額外的初級繞組。這個電路的效率高達 95%，圖 2 所示為不同輸出電壓時的情況。用光耦合器閉合反饋環(huán)路的直接輸出電壓檢測也可以納入，而且可以獲得好于 ±0.5% 的總體調(diào)節(jié)。這個單開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器以高達 500kHz 的開關(guān)頻率工作，在高達 500W 的功率級時，可以產(chǎn)生1.23V~52V的輸出電壓。
隔離式同步和非同步
反激轉(zhuǎn)換器
設計隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的一個最簡單且公認的方法是采用反激拓撲。這種拓撲通常用于高達 80W 的功率級，僅需要一個磁性組件，即電源變壓器，無需輸出電感器，因此，簡化了設計并降低了成本。
圖 3 所示電路是DC1100A演示板，該電路將 18V~72V 的輸入轉(zhuǎn)換成隔離式 3.3V/3A 輸出，效率為 82%，占板面積為 1.6 英寸×0.55 英寸。這個設計采用了 LTC3803 電流模式反激 PWM 控制器和 LT4430 光耦合器驅(qū)動器，這兩個器件都采用纖巧的6引腳 ThinSOT封裝。LTC3803 以固定的 200kHz 或 300kHz 頻率工作，具有非常低的啟動電流，僅為 40mA。低啟動電流的好處是，能夠用阻值高的輸入電阻和電容值低的電容器實現(xiàn)電源快速啟動，而且電路尺寸較小，功耗較低。一旦該器件進入工作狀態(tài)，就可以通過肖特基二極管和串聯(lián)電阻，用一個單獨的初級變壓器繞組供電，以進一步提高效率。就非隔離式設計而言，輸出電壓通過相同的二極管和電阻電路，可以用來為 LTC3803 供電。
LTC3803 的過流保護門限電壓固定為10mV，這允許該器件使用低值、低功率電流檢測電阻(就 10W 輸出和 48V 輸入電壓設計而言，典型值為 68mΩ、1/4W)，從而進一步降低了功耗。LTC3803 可以調(diào)節(jié)低至 0.8V 的輸出電壓，具有內(nèi)部軟啟動功能，可降低浪涌電流，降低輸出電壓過沖。恒定頻率工作，一直保持至輕負載，從而在寬負載電流范圍內(nèi)產(chǎn)生較少的低頻噪聲?；?LTC3803 的電源具有可調(diào)斜率補償，以最低的輸出電容實現(xiàn)快速瞬態(tài)響應。
LT4430 是光耦合器驅(qū)動器，在 ±0.75% 容限時具有精確的 0.6V 電壓基準，還含有高帶寬(9MHz)誤差放大器。這個器件將這 3 種功能組合到一個封裝中，簡化了設計。LT4430 具有 3V~20V 的寬輸入電源電壓范圍，光耦合器驅(qū)動器提供高達 10mA 的電流，并具有短路保護能力。
反激控制器LTC3805與 LTC3803 相比，具有更多功能，如工作頻率可編程、同步至外部時鐘、可調(diào)軟啟動和可編程接通電壓。用戶在標稱輸入電壓為 48V 的應用中使用這個器件時，也許想對器件編程，以在較高的電壓而不是 9V(在欠壓閉鎖時通常是這樣)上接通。編程是通過 RUN 引腳上的分壓器實現(xiàn)的。LTC3805 也是電流模式 PWM 控制器，啟動時僅需要 40mA 電流。
對較高效率(高達 90%)的隔離式反激轉(zhuǎn)換器的需求日益增加。傳統(tǒng)上，在隔離式反激電源中同時實現(xiàn)簡單性和高效率一直很難。實現(xiàn)高效率常常需要使用先進的副端同步整流電路，這種電路一度只用于較高功率的應用。這會增加器件數(shù)以及同步驅(qū)動器、基準電壓和通常用來保持隔離的光耦合電路的設計復雜性。LT3825 和 LT3837 通過提供精確的同步整流定時、去除反饋環(huán)路中的光耦合器并保持卓越的調(diào)節(jié)和環(huán)路響應，簡化了低輸出電壓、中功率反激電源并提高了這類電源的性能。圖 4 是原理圖，以高達 90% 的效率將 48V 的標稱輸入轉(zhuǎn)換成 3.3V/12A 輸出。這個解決方案還適用于 9V~36V 的輸入電壓范圍。
結(jié)語
廣泛提供的專用主端和副端控制集成電路允許各公司設計自己的高密度 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，而不必經(jīng)過設計師們幾年前還要經(jīng)歷的長開發(fā)周期。各公司自己設計隔離式電源轉(zhuǎn)換器可以完全控制設計和所用組件，能夠設計標準產(chǎn)品可能不提供的專門功能，并可以實現(xiàn)較低的總體成本。隨著特定拓撲控制器、現(xiàn)售平面磁性元件、專用電路、演示板以及 PCB 演示板 Gerber 文件的出現(xiàn)，用戶擁有了全面的電源轉(zhuǎn)換設計所需的產(chǎn)品，因此，開發(fā)自己的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器就更容易了。
