【導讀】較大型醫療系統一般采用分布式電源架構，需要對總線到子系統的工作電壓進行隔離式 DC/DC 轉換，而隔離式 DC/DC應用中反激式轉換器的設計卻十分困難：存在著穩定性問題，而且光耦合器的傳播延遲、老化和增益變化，甚至定制變壓器的需求還會使該問題更加復雜。這些問題該怎么解決呢？凌力爾特教你簡化隔離型反激式轉換器的設計。
需要一個簡單的低功率隔離式內務處理電源、又不想買現成有售的模塊？制造或購買決策取決于很多因素，但是是否足夠簡單、解決方案尺寸、價格和性能對于走哪條路有重大影響。包括某些醫療系統在內的幾種類型應用需要具備輸入至輸出隔離的電源。
實現與噪聲源電壓的接地分離是需要使用一個隔離式電源 (特別是在醫療設備中) 的原因之一。僅以醫用檢查照相機、牙科器械、睡眠和生命體征監測儀等為例，它們都采用了顯示器，而這些顯示器會受到噪聲源電壓的不良影響。隔離式電源可提供接地分離，從而能夠消除導致顯示異常的噪聲。
較大型的醫療系統 (例如: CT 掃描、血氣電解質分析儀和一些超聲系統) 由于有多個 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，并且通常向整個系統分配 24V 或 48V 總線電壓。為了提高可靠性并出于安全原因，分布式電源架構通常需要對總線到子系統的工作電壓進行隔離式 DC/DC 轉換。這種類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致的危險。
很多年來，反激式轉換器一直廣泛用于隔離式 DC/DC 應用。不過，這類轉換器未必是設計師的首選。電源設計師之所以被迫選擇反激式轉換器，是因為需要滿足功率較低的隔離需求，而不是因為這類轉換器易于設計。由于控制環路中眾所周知的右半平面零點之原因，反激式轉換器存在著穩定性問題，而且光耦合器的傳播延遲、老化和增益變化還會使該問題更加復雜。
此外，使用反激式轉換器時，需要花費大量時間來設計變壓器，而通常現成有售的變壓器可選范圍有限，可能需要定制變壓器，這就使事情更加復雜了。最近在電源轉換技術領域取得的進步已經使更低功率的隔離式轉換器更容易設計。凌力爾特公司最近推出的 LT8300 隔離型反激式轉換器就解決了很多這類反激式設計的問題。
基于 LT8300 的電路無需光耦合器、副端參考電壓以及無需電源變壓器額外提供第三個繞組，因而簡化了隔離型反激式轉換器的設計。這款器件僅用一個跨隔離勢壘的組件，就保 持了主端至副端隔離。可方便地買到現成有售的變壓器，并不需要定制變壓器。LT8300 在 5V 至 100V 的輸入電壓范圍內工作，提供高達 2W 的輸出功率，從而使其非常適用于種類繁多的醫療、工業、電信和數據通信應用。
簡單的反激式 IC 設計
LT8300 免除了增設光耦合器、副端基準電壓和電源變壓器附加第三繞組的需要，同時僅用一個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壘。LT8300 運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節點波形來檢測輸出電壓。在開關斷開期間，輸出二極管負責向輸出端提供電流，而輸出電壓被反射至反激式變壓器的主端。開關節點電壓的數值是輸入電壓與反射輸出電壓之和 (LT8300 能夠重構)。這種輸出電壓反饋方法在整個電壓、負載和溫度范圍內，可產生好于 ±5% 的總體穩定度。圖 1 顯示了采用 LT8300 和僅 7 個外部組件的反激式轉換器的原理圖。
圖 1：具主端輸出電壓檢測的 LT8300 反激式轉換器
LT8300 采用小型 5 引線 SOT-23 封裝，接受 5V 至 100V 的輸入電壓，這無需串聯降壓電阻器就可直接加到該 IC 上。由于有高壓內置 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行。此外，其內置的 260mA、150V 內部 DMOS 電源開關允許該器件提供高達約 2W 的輸出功率。
此外，LT8300 在輕負載時以低紋波突發模式 (Burst Mode®) 工作，這可將靜態電流降至僅為 330uA，這種功能延長了休眠模式的電池運行時間。其他特點包括內部軟啟動和欠壓閉鎖。變壓器匝數比和一個外部電阻器就是設定輸出電壓全部的所需。
主端輸出電壓檢測
隔離式轉換器的輸出電壓檢測通常需要一個光耦合器和副端參考電壓。光耦合器通過光鏈路發送輸出電壓反饋信號，同時保持隔離勢壘。然而，光耦合器傳輸比隨溫度和老化而改變，從而降低了準確度。不同的光耦合器單元之間還可能是非線性的，這導致不同的電路有不同的增益 / 相位特性。運用一個額外的變壓器繞組實現電壓反饋的反激式設計還可以取代光耦合器，用來閉合反饋環路。不過，這個額外的變壓器繞組增大了變壓器的尺寸和成本。
通過檢測變壓器主端上的輸出電壓，LT8300 無需光耦合器或額外的變壓器繞組。當功率晶體管關斷時，在主端開關節點波形上可準確地測量輸出電壓，如圖 2 所示，其中 N 是變壓器的匝數比，VIN 是輸入電壓，VC 是最高箝位電壓。
圖 2：典型的開關節點波形
邊界模式工作減小了轉換器的尺寸并改善穩定性
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在副端電流降至零時，LT8300 反激式轉換器立即接通其內部開關，而當開關電流達到預定義的電流限制時，該轉換器即關斷。因此它總是在連續導通模式與斷續導通模式 (DCM) 轉換時工作，通常這稱為邊界模式或臨界導通模式。
邊界模式控制是一種可變頻率電流模式開關方案。當內部電源開關接通時，變壓器電流增加，直至達到其預設電流限值設定點為止。SW 引腳上的電壓上升至“輸出電壓除以變壓器副端-主端匝數比” + “輸入電壓”。當流過二極管的副端電流減小至零時，SW引腳電壓下降至低于 VIN。內部 DCM 比較器檢測到這一情況并重新接通開關，從而重復該循環。
在每個周期結束時，邊界模式使副端電流返回到零，從而產生了不會引起負載調節誤差的寄生電阻壓降。此外，主反激開關總是在電流為零時接通，而輸出二極管沒有反向恢復損耗。這種功耗降低允許反激式轉換器以相對較高的開關頻率工作，與更低頻率的可替代設計相比，這反過來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：在邊界模式工作時的反激式轉換器波形
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，負載調節非常好，因為反射的輸出電壓始終在二極管電流過零時采樣。LT8300 一般提供好于 ±2% 的負載調節，如圖 4 所示。
圖 4：圖 1 所示原理圖的負載和電壓調節曲線
Output Load and Line Regulation：輸出負載和電壓調節
OUTPUT VOLTAGE：輸出電壓
LOAD CURRENT：負載電流
變壓器選擇以及設計時需要考慮的問題
變壓器規格和設計也許是成功應用 LT8300 最關鍵的部分。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計的常規注意事項，變壓器的匝數比也必須嚴格控制。因為變壓器副端上的電壓是通過在主端采樣所得的電壓推斷的，所以匝數比必須嚴格控制，以確保一致的輸出電壓。
凌力爾特一直與領先的磁性元件制造商合作，以生產可與 LT8300 一起使用的預設計反激式變壓器。表 1 顯示了一部分推薦使用和現成有售的變壓器，這些變壓器分別來自 Wurth Elektronik、Pulse Engineering和 BH Electronics 公司。LT8300 數據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 1 分鐘的時間內承受 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 一起使用和現成有售的變壓器
在 www.linear.com.cn/LTspice 下載一個免費的 LTspice 軟件，就可以用表 1 中所列的任何變壓器建立一個 LT8300 電路的模型了。這種仿真產生能夠實現的結果，有助于使這類轉換器的設計更容易，并可進一步確認轉換器的設計。該仿真電路包括的信息有：電路如何啟動；就不同輸入電壓而言，電路對負載步進的反應。要進行修改以及查看對電路性能的影響都很容易。
