引言
曾經(jīng)需要一個(gè)簡(jiǎn)單的低功率隔離式內務(wù)處理電源、又不想買(mǎi)現成有售的磚或模塊嗎？制造或購買(mǎi)決策取決于很多因素，但是簡(jiǎn)單性、解決方案尺寸、價(jià)格和性能對于走哪條路有重大影響。包括某些醫療系統在內的幾種類(lèi)型應用需要具備輸入至輸出隔離的電源。
實(shí)現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(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(zhì)分析儀和一些超聲系統) 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，并且通常向整個(gè)系統分配 24V 或 48V 總線(xiàn)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(xiàn)到子系統的工作電壓進(jìn)行隔離式 DC/DC 轉換。這種類(lèi)型的總線(xiàn)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(lái)，反激式轉換器一直廣泛用于隔離式 DC/DC 應用。不過(guò)，這類(lèi)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(mǎn)足功率較低的隔離需求，而不是因為這類(lèi)轉換器易于設計。由于控制環(huán)路中眾所周知的右半平面零點(diǎn)之原因，反激式轉換器存在著(zhù)穩定性問(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)題更加復雜。
此外，使用反激式轉換器時(shí)，需要花費大量時(shí)間來(lái)設計變壓器，而通�，F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(shù)領(lǐng)域取得的進(jìn)步已經(jīng)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(lèi)反激式設計的問(wèn)題。
 
簡(jiǎn)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(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壘。LT8300 運用了一種主端檢測方案，該方案能通過(guò)反激式變壓器主端開(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形來(lái)檢測輸出電壓。在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)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(kāi)關(guān)節點(diǎn)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(gè)電壓、負載和溫度范圍內，可產(chǎn)生好于 ±5% 的總體穩定度。圖 1 顯示了采用 LT8300 和僅 7 個(gè)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(xiàn) 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(kāi)關(guān)允許該器件提供高達約 2W 的輸出功率。
此外，LT8300 在輕負載時(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(cháng)了休眠模式的電池運行時(shí)間。其他特點(diǎn)包括內部軟啟動(dòng)和欠壓閉鎖。變壓器匝數比和一個(gè)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(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，同時(shí)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(xiàn)性的，這導致不同的電路有不同的增益 / 相位特性。運用一個(gè)額外的變壓器繞組實(shí)現電壓反饋的反激式設計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。當功率晶體管關(guān)斷時(shí)，在主端開(kāi)關(guān)節點(diǎn)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，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)節點(diǎn)波形
 
邊界模式工作減小了轉換器的尺寸并改善穩定性
在副端電流降至零時(shí)，LT8300 反激式轉換器立即接通其內部開(kāi)關(guān)，而當開(kāi)關(guān)電流達到預定義的電流限制時(shí)，該轉換器即關(guān)斷。因此它總是在連續導通模式與斷續導通模式 (DCM) 轉換時(shí)工作，通常這稱(chēng)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(kāi)關(guān)方案。當內部電源開(kāi)關(guān)接通時(shí)，變壓器電流增加，直至達到其預設電流限值設定點(diǎn)為止。SW 引腳上的電壓上升至“輸出電壓除以變壓器副端-主端匝數比” + “輸入電壓”。當流過(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。內部 DCM 比較器檢測到這一情況并重新接通開(kāi)關(guān)，從而重復該循環(huán)。
在每個(gè)周期結束時(shí)，邊界模式使副端電流返回到零，從而產(chǎn)生了不會(huì )引起負載調節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)有反向恢復損耗。這種功耗降低允許反激式轉換器以相對較高的開(kāi)關(guān)頻率工作，與更低頻率的可替代設計相比，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)，負載調節非常好，因為反射的輸出電壓始終在二極管電流過(guò)零時(shí)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(xiàn)
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(shí)需要考慮的問(wèn)題
變壓器規格和設計也許是成功應用 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(guò)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(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(lái)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(shí)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(gè)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(gè) LT8300 電路的模型了。這種仿真產(chǎn)生能夠實(shí)現的結果，有助于使這類(lèi)轉換器的設計更容易，并可進(jìn)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(dòng)；就不同輸入電壓而言，電路對負載步進(jìn)的反應。要進(jìn)行修改以及查看對電路性能的影響都很容易。
 
結論
在醫療系統中，可以運用電源隔離來(lái)擺脫有噪聲的電源電壓，在分布式電源架構中也需要電源隔離，以實(shí)現安全工作�；�于 LT8300 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換器的設計。這款器件僅用一個(gè)跨隔離勢壘的組件，就保持了主端至副端隔離�？煞奖愕刭I(mǎi)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(lèi)繁多的醫療、工業(yè)、電信和數據通信應用。