引言

自從1994年單片開關(guān)電源問世以來,，為開關(guān)電源的推廣和普及創(chuàng)造了條件,。開關(guān)電源的應(yīng)用涉及到各種電子電器設(shè)備領(lǐng)域，如程控交換機(jī),、通訊,、電子檢測設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源,，更促進(jìn)了開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展,。各種新技術(shù)、新工藝和新器件如雨后春筍般,，不斷問世,，使得開關(guān)電源的應(yīng)用日益普及。開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向,，從最初的20kHz提高到現(xiàn)在的幾百kHz甚至幾兆赫茲,，高頻化帶來開關(guān)電源的小型化。目前,，開關(guān)電源正朝著高效節(jié)能,、安全環(huán)保、小型化,、輕便化方向發(fā)展,。

LT3573簡介

LT3573是一種單片開關(guān)穩(wěn)壓器件，專為隔離型反擊式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì),。在隔離型反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,，變壓器原邊電路需要時時感知到副邊輸出電壓的變化信息,，以便維持輸出電壓穩(wěn)定,。在以往的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，常常采用光電耦合器件或者另外增加變壓器繞組,，來得到輸出電壓反饋信息,。光電耦合器件存在的問題是：①耗費(fèi)輸出功率;②成本增加，電路結(jié)構(gòu)便得復(fù)雜;③有限的動態(tài)響應(yīng),、器件非線性,、老化等，都會帶來麻煩,。

另外若新增變壓器或變壓器繞組,，無形就會使變壓器物理尺寸變大,，成本增加，其動態(tài)響應(yīng)也不怎么樣好,。而LT3573則無需外接光電耦合器件或第三繞組,，其特有的內(nèi)置反激誤差放大器，在二次側(cè)繞組電流為零時,，反激誤差放大器開始取樣輸出電壓信息,，直接從變壓器原邊的反激電壓波形檢測輸出電壓的變化信息，自動維持輸出電壓的穩(wěn)定性,，這也是此IC設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)之所在,。反激電壓由于RFB和Q2的作用，變換成電流,，這個電流幾乎全部流過電阻RREF,，形成反饋電壓，進(jìn)入反激誤差放大器,，并與其1.22V的參考電壓進(jìn)行比較,，以便后續(xù)電路能調(diào)整開關(guān)管的占空比，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的,，如圖1所示,。

圖1 LT3573內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖

一個1.25A 、60V的NPN型功率開關(guān)管以及全部控制邏輯單元都集成到一個16引腳MSOP封裝的LT3573內(nèi)部,。極大地簡化了該集成塊應(yīng)用的外圍電路設(shè)計(jì)工作,，在3V~40V的輸入電壓范圍內(nèi)工作，最大輸出功率值可達(dá)7W,?？蓱?yīng)用于需要隔離型電源的眾多領(lǐng)域，比如工業(yè),、醫(yī)療,、數(shù)據(jù)通信、汽車應(yīng)用,、低功率PoE和 VoIP電話接口等,。

LT3573工作于邊界模式，與對等的連續(xù)傳導(dǎo)模式設(shè)計(jì)相比較,，邊界模式工作允許使用較小的變壓器,。

鉗位電路的設(shè)計(jì)

變壓器漏感Lsl(無論原邊還是副邊)，如圖2所示,，會在原邊引起一個電壓尖峰出現(xiàn),。當(dāng)輸出開關(guān)關(guān)閉后，這個尖峰隨著更高的負(fù)載電流越來越尖,，這就需要選擇能量吸收網(wǎng)絡(luò)消耗掉漏感中儲存的能量,。在大多數(shù)情況下,，需要用緩沖電路，以避免過壓擊穿輸出開關(guān)節(jié)點(diǎn),。所以,，變壓器漏感應(yīng)盡量減少。

選擇吸收網(wǎng)絡(luò)鉗位反激開關(guān)電壓尖峰,。由于開關(guān)變壓器的漏感產(chǎn)生的電壓尖峰,，反激電壓可由下式計(jì)算：

　　 (1

其中：VF—變壓器二次側(cè)整流二極管D2正向壓降 ;

ISEC —變壓器二次側(cè)電流 ;

ESR —二次回路的總阻抗;

NPS —變壓器有效的原副邊匝數(shù)比;

VOUT — 輸出電壓。

這個電壓和輸入電壓之和(VIN +VFLBK)直接加到了功率開關(guān)管Q1的集電極上,，容易造成功率開關(guān)管Q1的二次擊穿而損壞,。為了鉗位電壓尖峰值在開關(guān)管的額定值以內(nèi)，最常用RCD吸收電路,，使得開關(guān)管關(guān)斷期間,，儲存在漏感中的能量轉(zhuǎn)移到吸收網(wǎng)絡(luò)電容C1里，并且最終消耗在電阻R1上,，如圖2所示,。

圖2 RCD吸收電路圖

這里的鉗位二極管D1開關(guān)速度要足夠快，否則,，開關(guān)管關(guān)斷瞬間,，漏感尖峰無法及時傳遞到電容C1上而會在開關(guān)管Q1集電極產(chǎn)生瞬間高壓，如圖3所示,。因此,，肖特基二極管通常是最好的選擇。

圖3 開關(guān)管Q1集電極電壓波形示意圖

一旦鉗位二極管D1開通,，漏感電流就會被C1吸收,，吸收時間不得長于150ns，如圖3所示的tSP<150ns,，否則,，會干擾輸出電壓的穩(wěn)定性。

吸收電阻R1影響電壓尖峰幅度Vc和持續(xù)時間tSP,，tSP時間不能過長,，否則會引起檢測輸出電壓失真，如圖所示,。

開關(guān)變壓器設(shè)計(jì)

4.1原邊最小電感量

因?yàn)長T3573通過檢測開關(guān)變壓器原邊反激脈沖波來調(diào)整隔離輸出電壓,。當(dāng)二次側(cè)繞組傳導(dǎo)電流時,，LT3573就從SW引腳獲得輸出電壓信息,，這時，取樣電路需要一個最低限度的時間取樣輸出電壓,。為了保證足夠的取樣時間,，原邊就需要保持一個最低電感值LPRI,。該電感值計(jì)算公式如下：

式中：

toff ( MIN) = 350ns，開關(guān)管最小關(guān)斷時間;

IMIN = 250mA,，轉(zhuǎn)換器的最低電流限制,。

4.2變壓器匝數(shù)比

一般來說，選擇變壓器匝數(shù)比,，是為了最大限度地獲得輸出功率,，也可使轉(zhuǎn)換器有足夠的電流處理能力，但是匝數(shù)比不能太大了,。對于低輸出電壓(3.3V或5V)來說,，用原邊匝數(shù)數(shù)倍于副邊匝數(shù)(N:1)以最大化變壓器的電流增益(和輸出功率)，此時 SW引腳的電壓等于最大輸入電源電壓加上輸出電壓乘以匝數(shù)比的和,。這個數(shù)值必須保持在SW引腳的VSW (MAX)值之下,，以防止內(nèi)部電源開關(guān)管崩潰。綜合這些條件,，對某一特定應(yīng)用來說,，需要設(shè)置一個匝數(shù)比的上限值N，選擇一個匝數(shù)比足夠低的變壓器,。

其中：VSW (MAX) 為開關(guān)管最大電壓應(yīng)力,。根據(jù)電路仿真，得出如表1所示的在不同變壓器匝數(shù)比情況下,，開關(guān)電壓應(yīng)力和輸出電流能力,。

表1 開關(guān)電壓應(yīng)力和輸出電流能力與匝數(shù)比

仿真實(shí)驗(yàn)電路如圖4所示，采用12V輸入電壓,，開關(guān)變壓器原副邊的繞組匝數(shù)比設(shè)為 3:1,，RREF引腳外接對地參考電阻，阻值一般設(shè)為6.04k,，此電阻值不能偏離6.04k過大,，一般百分之幾的變化是可以接受的，否則,，會引起大的輸出電壓誤差,。RFB為外部反饋電阻器的輸入引腳，此處阻值設(shè)為80.6k,。此引腳連接到變壓器的原邊(Vsw),。這個電阻與RREF電阻的比值，決定了輸出電壓(加上任何非一體化的變壓器匝數(shù)比的影響),。在反激期間,，通過這個電阻的平均電流大約為200μA 。也可以用如下公式來確定RFB與RREF之間的關(guān)系：

其中： —開關(guān)管Q1的Ic/Ie比值,，典型值為0.986;

VTC — 0.55V;

VBG —內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓,。

圖4 實(shí)際應(yīng)用電路示例

Tc引腳內(nèi)部連接了一個正溫度系數(shù)電流源到RREF引腳,，引腳外部接輸出電壓溫度補(bǔ)償電阻，產(chǎn)生的電流正比于絕對溫度,，仿真時阻值設(shè)為 28.7k,。RILIM 最大電流限制調(diào)整引腳，用一個10k的電阻就可以讓LT3573達(dá)到最大工作電流能力,。 /UVLO為關(guān)斷/欠壓閉鎖引腳,，連接到Vin的電阻分壓器固定在此引腳上，以便提供LT3573工作的最低輸入電壓,。當(dāng)電壓低于約0.7V時,，內(nèi)部電路幾乎沒有靜態(tài)電流。當(dāng)>0.7V且<1.25V時 ,，該部分將有10μA的電流,，但內(nèi)部電路將繼續(xù)關(guān)閉。當(dāng)>1.25V時,，內(nèi)部電路將開啟并且有10μA電流將輸入SS引腳,。

電路仿真各個關(guān)鍵電位的波形如圖5所示。從波形圖上可以驗(yàn)證,，邊界模式每個周期讓二次側(cè)電流歸零,，這樣寄生電阻的電壓降不會導(dǎo)致負(fù)載穩(wěn)定性誤差。電路可穩(wěn)定輸出5V直流電壓,，0.5A的直流電流,，額定功率達(dá)到2.5W。輸入電壓為12V時,，開關(guān)管Q1最大電壓應(yīng)力約28V,，符合預(yù)定設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖5 電路仿真關(guān)鍵點(diǎn)波形

結(jié)束語

此種電路設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)在于沒有使用光電耦合器件,，或變壓器,，或變壓器繞組，而是靠檢測開關(guān)管集電極電壓波形來穩(wěn)定輸出電壓,，簡化了外圍電路,，既避免了電路額外的功率損耗，同時又增加了電路的可靠性,。