基于LT3573隔離型反激式DC-DC開關(guān)電源
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
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、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簡介
LT3573是一種單片開關(guān)穩(wěn)壓器件，專為隔離型反擊式拓撲結(jié)構(gòu)而設(shè)計。在隔離型反激拓撲結(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。在以往的電路拓撲結(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)計的亮點之所在。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，進入反激誤差放大器，并與其1.22V的參考電壓進行比較，以便后續(xù)電路能調(diào)整開關(guān)管的占空比，達到穩(wěn)定輸出電壓的目的，如圖1所示。
圖1 LT3573內(nèi)部拓撲結(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
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)。當輸出開關(guān)關(guān)閉后，這個尖峰隨著更高的負載電流越來越尖，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。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tSP150ns，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。
4 開關(guān)變壓器設(shè)計
4.1原邊最小電感量
因為LT3573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。該電感值計算公式如下：
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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。
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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 實際應(yīng)用電路及仿真分析
仿真實驗電路如圖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：
（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)部帶隙基準電壓。
圖4 實際應(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。當電壓低于約0.7V時，內(nèi)部電路幾乎沒有靜態(tài)電流。當>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>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)計目標。
圖5 電路仿真關(guān)鍵點波形
6 結(jié)束語
此種電路設(shè)計的亮點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。
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