1 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(cè)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,。
2 LT3573簡(jiǎn)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(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)響應(yīng),、器件非線性,、老化等，都會(huì)帶來麻煩。
另外若新增變壓器或變壓器繞組,，無形就會(huì)使變壓器物理尺寸變大,，成本增加，其動(dòng)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(shí),，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(cè)輸出電壓的變化信息，自動(dòng)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(gè)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(gè)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(gè)16引腳MSOP封裝的LT3573內(nèi)部,。極大地簡(jiǎn)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(duì)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,。
3 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(huì)在原邊引起一個(gè)電壓尖峰出現(xiàn),。當(dāng)輸出開關(guān)關(guān)閉后,，這個(gè)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(chǔ)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(gè)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(chǔ)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(shí)傳遞到電容C1上而會(huì)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(huì)被C1吸收,，吸收時(shí)間不得長于150ns,，如圖3所示的tSP<150ns，否則,，會(huì)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(shí)間tSP，tSP時(shí)間不能過長,，否則會(huì)引起檢測(cè)輸出電壓失真,，如圖所示,。
4 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(cè)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(shí),，LT3573就從SW引腳獲得輸出電壓信息,，這時(shí)，取樣電路需要一個(gè)最低限度的時(shí)間取樣輸出電壓,。為了保證足夠的取樣時(shí)間,，原邊就需要保持一個(gè)最低電感值LPRI。該電感值計(jì)算公式如下：
（2）
式中：
toff ( MIN) = 350ns,，開關(guān)管最小關(guān)斷時(shí)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(duì)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(shí)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(gè)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(duì)某一特定應(yīng)用來說,，需要設(shè)置一個(gè)匝數(shù)比的上限值N,，選擇一個(gè)匝數(shù)比足夠低的變壓器。
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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
5 實(shí)際應(yīng)用電路及仿真分析
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(duì)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(huì)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(gè)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(gè)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：
（4）
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(gè)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(duì)溫度,，仿真時(shí)阻值設(shè)為28.7k。RILIM 最大電流限制調(diào)整引腳,，用一個(gè)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(shí)，內(nèi)部電路幾乎沒有靜態(tài)電流,。當(dāng)>0.7V且<1.25V時(shí) ,，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(shí),，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(gè)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(gè)周期讓二次側(cè)電流歸零，這樣寄生電阻的電壓降不會(huì)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(shí),，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
6 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(cè)開關(guān)管集電極電壓波形來穩(wěn)定輸出電壓,，簡(jiǎn)化了外圍電路,，既避免了電路額外的功率損耗，同時(shí)又增加了電路的可靠性,。