无光反激式DC/DC转换器和缓冲保护电路

作者：Kevin Scott and Zhijun (George) Qian

反激式 DC/DC 转换器拓扑是允许输入电压高于或低于输出电压的几种拓扑之一。SEPIC和降压-升压拓扑结构也允许这样做，但有时反激式是更理想的解决方案：即当需要隔离（为了抗噪性或安全性）或需要高输出电压时。基于变压器的反激式是两者的理想选择;它提供电流隔离——输入和输出之间没有直流路径，并且通过适当的匝数比和外部元件，可以获得极高的电压。

基于光耦合器的隔离式反激式解决方案

以下电路是基于光耦合器的典型隔离式反激式解决方案。

图1.带光耦合器和 TLV431 并联稳压器的隔离式反激式控制器

在图中，控制器用于促进高压操作。这增加了单片解决方案的复杂性，但允许用户选择适合所需电压的外部功率MOSFET，并允许使用低压IC，因为IC不会暴露在高电路电压下。由 RFB1 和 RFB2 确定的输出电压反馈信息通过与次级侧 TLV431 并联稳压器和电阻 R1 偏置的光耦合器穿过隔离栅传输。更高效的电路包括变压器上的第三个绕组（图 2），该绕组在初级侧产生偏置电压，以便在器件启动后为 IC 供电;然而，这进一步增加了元件数量、解决方案尺寸和成本。

图2.隔离式反激式第三绕组电路

许多客户正在寻找一种易于设计、不需要光耦合器的小尺寸隔离电源。除了尺寸和成本增加之外，光耦合器还会耗散功率，动态响应有限，并且电流传输比（CTR）会随着时间的推移而降低。越来越多的工程师正在用凌力尔特的无光隔离解决方案取代基于光耦合器的解决方案，这些解决方案不使用光耦合器，但仍能提供良好的输出调节。这些解决方案具有集成的高压电源开关，使用更少的外部组件，提供更小的解决方案尺寸，并且具有比以前的解决方案更低的待机电流和更高的效率。

无光反激式解决方案

凌力尔特的第一代无光反激式控制器大大简化了隔离电路设计。隔离不再需要光耦合器、并联稳压器和偏置电路，因为输出电压反馈信息通过变压器的第三个绕组初级提供给IC。然而，仍然需要一个外部电源开关和一个外部控制环路补偿RC网络来实现环路稳定性。

凌力尔特最新一代无光隔离反激式转换器扩展了简单性、微功耗操作和小解决方案尺寸的概念。这些器件具有内部电源开关，输入电压范围为 42V 至 560V（42V、100V 和 560V 输入），具有 2W 至 24W 的隔离输出功率。它们使用独特的边界模式控制方案，提供出色的负载调节和控制环路稳定性，减少所需的环路补偿电路并最大限度地减小变压器的尺寸。例如，100V输入24W LT8304的典型工作电路如下所示。LT8304 的设计简单性不仅源于其控制方案，还在于它具有内部控制环路补偿和一个内部电源开关。

图3.LT8304 典型工作电路

通过监视反射回电感初级侧的输出电压来调节输出，无需光耦合器，在大多数情况下无需第三个变压器绕组（560V输入LT8315除外，由于其极高的输入电压范围，它确实需要第三个绕组）。其结果是一个效率相对较高、体积小、易于设计的解决方案，外部元件少，占用空间小。

下图显示了 24W 输出 LT8304 的效率与负载电流的关系。效率高于 80% 对于该系列器件来说很常见。

图4.LT8304 效率与负载电流的关系

缓冲电路

对于变压器，初级侧和次级侧漏电流会导致过大的电压尖峰，超过IC的绝对最大额定电压，如果允许振铃时间过长，可能会错误地使电源开关控制电路跳闸。一些电感器具有高漏感的特征，但绕组不良的电感器也会表现出高漏感，杂散电感会加剧由此产生的电压尖峰，这通常是电路布局不良的结果。为了防止这种情况，使用了缓冲电路。

图5.缓冲电路

图5显示了两种不同的缓冲器电路：二极管齐纳（DZ）缓冲器和电阻电容（RC）缓冲器。缓冲电路的工作原理是吸收由于漏感L引起的多余能量l，从而保护IC免受潜在的高电压或过度振铃的影响。DZ缓冲器可确保定义明确且一致的箝位电压，并具有略高的功率效率，而RC缓冲器可快速抑制电压尖峰振铃。

图6.缓冲电路波形

图6显示了缓冲电路如何为LT8304的开关节点引脚提供保护。在设计应用时，即使在过载条件下，也应为最坏情况下的漏电电压尖峰留出足够的裕量。在大多数情况下，LT8304初级端的反射输出电压加上输入电压应保持在110V以下。这为线路和负载条件下的漏尖峰留下了至少40V的裕量。在左侧的图6a中，没有使用缓冲器，因此任何振铃不得超过150V IC上限。在没有任何保护电路的情况下，性能就只能靠机会，并且由于元件选择和布局是重要的考虑因素，因此高输入电压过压的可能性很高。对于低输入电压应用，可能不需要缓冲器。在图6b中，使用了DZ缓冲器。DZ 缓冲器使用齐纳二极管箝位（或串联齐纳二极管串）将开关节点引脚箝位至 110V。请注意，由于齐纳箝位，第一个幅度峰值（由箭头表示）具有平坦的响应。另请注意，DZ缓冲器不会影响振铃，它只是限制峰值电压。最后，右侧的图6c显示了RC缓冲器的响应。RC 缓冲器可抑制振铃，确保振荡不会无意中重新打开电源开关。LT8304 具有一个 350ns 的最小开关导通时间，因此振铃不得超过此最小限值。

通常可以看到齐纳二极管箝位或反激电路中使用的RC缓冲器;两者也很常见，如上面的图 1 所示。当使用高压LT8304来保护开关节点时，通常建议使用缓冲电路;然而，在特殊情况下，不需要缓冲电路，从而得到更简化的原理图和更小的解决方案尺寸。LT8300 具有一个 150V/260mA 内部电源开关，当小尺寸和最少的外部组件是关键设计参数时，建议使用 LT8300。它具有强大的开关保护功能，数据手册中包括许多不包括缓冲电路的电路，如图8所示。.，从而为您的隔离需求提供最小、最简单、功耗最低的解决方案（图 7）。此处，开关引脚（SW）的最大电压为V外乘以匝数比 （8：1） 加上 V在，或 3.3V * 8 + 72V，或 96V。这远低于开关的 150V 绝对最大额定值。

图7.LT8300 通常不需要缓冲电路

结论

利用LT83xx系列单片式、隔离式反激式转换器，设计小型、高效、稳健、隔离式电源是一项相当简单的任务。内部电源开关、推荐的现成变压器和少量外部组件都有助于简化设计过程。提供多种输入电压和输出功率组合，涵盖高达 24W 的输出功率水平。此外，LTspice文件随时可用于电路仿真，演示电路提供了一种快速执行解决方案的便捷方法。

部件号	内部电源开关	输入电压范围 （V）	最大输出功率 （W）
LT8301	65V/1.2A	2，8 到 42	6
LT8302	65V/3.6A	2，8 到 42	18
LT8304	150V/2A	3 到 100	24
LT8300	150V/260毫安	6 到 100	2.5
LT8303	150V/450毫安	5.5 到 100	5
LT8315	630V/300毫安	18 到 560	15

审核编辑：郭婷