引言

曾經(jīng)需要一個(gè)簡(jiǎn)單的低功率隔離式內(nèi)務(wù)處理電源,、又不想買(mǎi)現(xiàn)成有售的磚或模塊嗎,？制造或購(gòu)買(mǎi)決策取決于很多因素，但是簡(jiǎn)單性,、解決方案尺寸,、價(jià)格和性能對(duì)于走哪條路有重大影響,。包括某些醫(yī)療系統(tǒng)在內(nèi)的幾種類(lèi)型應(yīng)用需要具備輸入至輸出隔離的電源。

實(shí)現(xiàn)與噪聲源電壓的接地分離是需要使用一個(gè)隔離式電源(特別是在醫(yī)療設(shè)備中) 的原因之一,。僅以醫(yī)用檢查照相機(jī),、牙科器械、睡眠和生命體征監(jiān)測(cè)儀等為例,，它們都采用了顯示器,，而這些顯示器會(huì)受到噪聲源電壓的不良影響。隔離式電源可提供接地分離,，從而能夠消除導(dǎo)致顯示異常的噪聲,。

較大型的醫(yī)療系統(tǒng)(例如: CT 掃描、血?dú)怆娊赓|(zhì)分析儀和一些超聲系統(tǒng)) 由于有多個(gè)PC 電路板用于各種不同的功能，所以一般采用分布式電源架構(gòu),，并且通常向整個(gè)系統(tǒng)分配24V 或48V 總線電壓,。為了提高可靠性并出于安全原因，分布式電源架構(gòu)通常需要對(duì)總線到子系統(tǒng)的工作電壓進(jìn)行隔離式DC/DC 轉(zhuǎn)換,。這種類(lèi)型的總線電壓能提供很大的電流,，而且需要隔離以防止在短路故障情況下可能導(dǎo)致的危險(xiǎn)。

很多年來(lái),，反激式轉(zhuǎn)換器一直廣泛用于隔離式DC/DC 應(yīng)用,。不過(guò)，這類(lèi)轉(zhuǎn)換器未必是設(shè)計(jì)師的首選,。電源設(shè)計(jì)師之所以被迫選擇反激式轉(zhuǎn)換器,，是因?yàn)樾枰獫M(mǎn)足功率較低的隔離需求，而不是因?yàn)檫@類(lèi)轉(zhuǎn)換器易于設(shè)計(jì),。由于控制環(huán)路中眾所周知的右半平面零點(diǎn)之原因,，反激式轉(zhuǎn)換器存在著穩(wěn)定性問(wèn)題，而且光耦合器的傳播延遲,、老化和增益變化還會(huì)使該問(wèn)題更加復(fù)雜,。

此外，使用反激式轉(zhuǎn)換器時(shí),，需要花費(fèi)大量時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)變壓器,，而通常現(xiàn)成有售的變壓器可選范圍有限,，可能需要定制變壓器,，這就使事情更加復(fù)雜了。最近在電源轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域取得的進(jìn)步已經(jīng)使更低功率的隔離式轉(zhuǎn)換器更容易設(shè)計(jì),。凌力爾特公司最近推出的LT8300 隔離型反激式轉(zhuǎn)換器就解決了很多這類(lèi)反激式設(shè)計(jì)的問(wèn)題,。

簡(jiǎn)單的反激式IC 設(shè)計(jì)

LT8300 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)僅用一個(gè)電源變壓器就可保持主端和副端隔離,，而這電源變壓器必須橫跨隔離勢(shì)壘。LT8300 運(yùn)用了一種主端檢測(cè)方案,，該方案能通過(guò)反激式變壓器主端開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形來(lái)檢測(cè)輸出電壓,。在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)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(kāi)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(LT8300 能夠重構(gòu))。這種輸出電壓反饋方法在整個(gè)電壓,、負(fù)載和溫度范圍內(nèi),，可產(chǎn)生好于±5% 的總體穩(wěn)定度,。圖1 顯示了采用LT8300 和僅7 個(gè)外部組件的反激式轉(zhuǎn)換器的原理圖。

圖1：具主端輸出電壓檢測(cè)的LT8300 反激式轉(zhuǎn)換器

LT8300 采用小型5 引線SOT-23 封裝,，接受5V 至100V 的輸入電壓,，這無(wú)需串聯(lián)降壓電阻器就可直接加到該IC 上。由于有高壓內(nèi)置LDO,，而且SOT-23 封裝上的引腳4 和5 有固有的額外間距,，所以該器件能以高輸入電壓可靠地運(yùn)行。此外,，其內(nèi)置的260mA,、150V 內(nèi)部DMOS 電源開(kāi)關(guān)允許該器件提供高達(dá)約2W 的輸出功率。

此外,，LT8300 在輕負(fù)載時(shí)以低紋波突發(fā)模式(Burst Mode^®) 工作,，這可將靜態(tài)電流降至僅為330uA，這種功能延長(zhǎng)了休眠模式的電池運(yùn)行時(shí)間,。其他特點(diǎn)包括內(nèi)部軟啟動(dòng)和欠壓閉鎖,。變壓器匝數(shù)比和一個(gè)外部電阻器就是設(shè)定輸出電壓全部的所需。

主端輸出電壓檢測(cè)

隔離式轉(zhuǎn)換器的輸出電壓檢測(cè)通常需要一個(gè)光耦合器和副端參考電壓,。光耦合器通過(guò)光鏈路發(fā)送輸出電壓反饋信號(hào),，同時(shí)保持隔離勢(shì)壘,。然而,，光耦合器傳輸比隨溫度和老化而改變，從而降低了準(zhǔn)確度,。不同的光耦合器單元之間還可能是非線性的,，這導(dǎo)致不同的電路有不同的增益/相位特性。運(yùn)用一個(gè)額外的變壓器繞組實(shí)現(xiàn)電壓反饋的反激式設(shè)計(jì)還可以取代光耦合器,，用來(lái)閉合反饋環(huán)路,。不過(guò)，這個(gè)額外的變壓器繞組增大了變壓器的尺寸和成本,。

通過(guò)檢測(cè)變壓器主端上的輸出電壓,，LT8300無(wú)需光耦合器或額外的變壓器繞組。當(dāng)功率晶體管關(guān)斷時(shí),，在主端開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形上可準(zhǔn)確地測(cè)量輸出電壓,，如圖2 所示，其中N 是變壓器的匝數(shù)比,，V_IN 是輸入電壓,，V_C 是最高箝位電壓。

圖2：典型的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形

邊界模式工作減小了轉(zhuǎn)換器的尺寸并改善穩(wěn)定性

在副端電流降至零時(shí),，LT8300 反激式轉(zhuǎn)換器立即接通其內(nèi)部開(kāi)關(guān),，而當(dāng)開(kāi)關(guān)電流達(dá)到預(yù)定義的電流限制時(shí),，該轉(zhuǎn)換器即關(guān)斷。因此它總是在連續(xù)導(dǎo)通模式與斷續(xù)導(dǎo)通模式(DCM) 轉(zhuǎn)換時(shí)工作,，通常這稱(chēng)為邊界模式或臨界導(dǎo)通模式,。

邊界模式控制是一種可變頻率電流模式開(kāi)關(guān)方案。當(dāng)內(nèi)部電源開(kāi)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“輸出電壓除以變壓器副端-主端匝數(shù)比”+ “輸入電壓”,。當(dāng)流過(guò)二極管的副端電流減小至零時(shí),，SW引腳電壓下降至低于V_IN。內(nèi)部DCM 比較器檢測(cè)到這一情況并重新接通開(kāi)關(guān),，從而重復(fù)該循環(huán),。

在每個(gè)周期結(jié)束時(shí)，邊界模式使副端電流返回到零,，從而產(chǎn)生了不會(huì)引起負(fù)載調(diào)節(jié)誤差的寄生電阻壓降,。此外，主反激開(kāi)關(guān)總是在電流為零時(shí)接通,，而輸出二極管沒(méi)有反向恢復(fù)損耗,。這種功耗降低允許反激式轉(zhuǎn)換器以相對(duì)較高的開(kāi)關(guān)頻率工作，與更低頻率的可替代設(shè)計(jì)相比,，這反過(guò)來(lái)又減小了變壓器尺寸,。圖3 顯示了SW 電壓和電流以及輸出二極管的電流。

圖3：在邊界模式工作時(shí)的反激式轉(zhuǎn)換器波形

SW VOLTAGE：SW 電壓

SW CURRENT：SW 電流

DIODE CURRENT：二極管電流

以邊界模式工作時(shí),，負(fù)載調(diào)節(jié)非常好,，因?yàn)榉瓷涞妮敵鲭妷菏冀K在二極管電流過(guò)零時(shí)采樣。LT8300 一般提供好于±2% 的負(fù)載調(diào)節(jié),，如圖4 所示,。

圖4：圖1 所示原理圖的負(fù)載和電壓調(diào)節(jié)曲線

Output Load and Line Regulation：輸出負(fù)載和電壓調(diào)節(jié)

OUTPUT VOLTAGE：輸出電壓

LOAD CURRENT：負(fù)載電流

變壓器選擇以及設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的問(wèn)題

變壓器規(guī)格和設(shè)計(jì)也許是成功應(yīng)用LT8300 最關(guān)鍵的部分。除了低泄漏電感和緊耦合等涉及高頻隔離式電源變壓器設(shè)計(jì)的常規(guī)注意事項(xiàng),，變壓器的匝數(shù)比也必須嚴(yán)格控制,。因?yàn)樽儔浩鞲倍松系碾妷菏峭ㄟ^(guò)在主端采樣所得的電壓推斷的，所以匝數(shù)比必須嚴(yán)格控制,，以確保一致的輸出電壓,。

凌力爾特一直與領(lǐng)先的磁性元件制造商合作，以生產(chǎn)可與LT8300 一起使用的預(yù)設(shè)計(jì)反激式變壓器,。表1 顯示了一部分推薦使用和現(xiàn)成有售的變壓器,，這些變壓器分別來(lái)自Wurth Elektronik、Pulse Engineering和BH Electronics 公司,。LT8300 數(shù)據(jù)表中列出了所有推薦使用的變壓器,。這些變壓器一般能在持續(xù)1 分鐘的時(shí)間內(nèi)承受1500VAC 的主端至副端擊穿電壓,。還可以使用更高的擊穿電壓和定制變壓器。

表1：可與LT8300 一起使用和現(xiàn)成有售的變壓器

在www.linear.com.cn/LTspice 下載一個(gè)免費(fèi)的LTspice 軟件,，就可以用表1 中所列的任何變壓器建立一個(gè)LT8300 電路的模型了。這種仿真產(chǎn)生能夠?qū)崿F(xiàn)的結(jié)果,，有助于使這類(lèi)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)更容易,，并可進(jìn)一步確認(rèn)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。該仿真電路包括的信息有：電路如何啟動(dòng),；就不同輸入電壓而言,，電路對(duì)負(fù)載步進(jìn)的反應(yīng)。要進(jìn)行修改以及查看對(duì)電路性能的影響都很容易,。

結(jié)論

在醫(yī)療系統(tǒng)中，可以運(yùn)用電源隔離來(lái)擺脫有噪聲的電源電壓,，在分布式電源架構(gòu)中也需要電源隔離,，以實(shí)現(xiàn)安全工作?；贚T8300 的電路無(wú)需光耦合器,、副端參考電壓以及無(wú)需電源變壓器額外提供第三個(gè)繞組，因而簡(jiǎn)化了隔離型反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì),。這款器件僅用一個(gè)跨隔離勢(shì)壘的組件,，就保持了主端至副端隔離?？煞奖愕刭I(mǎi)到現(xiàn)成有售的變壓器,，并不需要定制變壓器,。LT8300 在5V 至100V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，提供高達(dá)2W 的輸出功率,，從而使其非常適用于種類(lèi)繁多的醫(yī)療,、工業(yè)、電信和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用,。