單個(gè)IC可在30V至400V輸入范圍內(nèi)產(chǎn)生隔離或非隔離±12V輸出

作者：Zhijun (George) Qian and William Xiong

電動(dòng)汽車(chē)、大型電池存儲(chǔ)堆棧、家庭自動(dòng)化、工業(yè)和電信電源都需要將高電壓轉(zhuǎn)換為±12 V，其中需要雙極性電源軌為放大器、傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和工業(yè)過(guò)程控制器供電。所有這些系統(tǒng)面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是創(chuàng)建一個(gè)緊湊、高效的雙極性穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器的工作溫度范圍為–40°C至+125°C，這在汽車(chē)和其他高環(huán)境溫度應(yīng)用中尤其重要。

線(xiàn)性穩(wěn)壓器廣為人知，通常是雙極性電源的首選，但不適用于前面提到的高輸入電壓、低輸出電壓應(yīng)用，這主要是由于線(xiàn)性穩(wěn)壓器在高降壓比下散熱。此外，雙極性解決方案至少需要兩個(gè)集成電路（IC）：一個(gè)正輸出線(xiàn)性穩(wěn)壓器和一個(gè)負(fù)轉(zhuǎn)換器。更好的解決方案是使用單個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器以較高的輸入產(chǎn)生兩個(gè)輸出，具有良好的效率和調(diào)節(jié)性，同時(shí)適合狹小的空間并降低成本。

本文介紹兩個(gè)優(yōu)雅的電路，它們均使用單個(gè)高壓LT8315轉(zhuǎn)換器，可在30 V至400 V寬輸入電壓范圍內(nèi)產(chǎn)生±12 V輸出。一個(gè)電路是隔離式反激式拓?fù)?另一種基于非隔離降壓拓?fù)?。LT8315本身是一款高壓?jiǎn)纹睫D(zhuǎn)換器，集成了630 V/300 mA MOSFET、控制電路和高壓?jiǎn)?dòng)電路，采用耐熱性能增強(qiáng)型20引腳TSSOP封裝。

隔離式雙極性反激式穩(wěn)壓器，不帶光耦合器

反激式轉(zhuǎn)換器廣泛用于多輸出應(yīng)用，以提供電流隔離、提高安全性并增強(qiáng)抗噪性。輸出可以是正輸出或負(fù)輸出，具體取決于輸出的哪一側(cè)接地。傳統(tǒng)上，輸出電壓調(diào)節(jié)是使用光耦合器將信息從次級(jí)側(cè)基準(zhǔn)電壓源電路傳輸?shù)匠跫?jí)側(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。問(wèn)題在于，由于傳播延遲、老化和增益變化等原因，光耦合器增加了顯著的復(fù)雜性并降低了可靠性。通常，連接到IC反饋引腳的一個(gè)輸出主導(dǎo)調(diào)節(jié)環(huán)路，而其他輸出則通過(guò)變壓器繞組松散控制，導(dǎo)致這些輸出的調(diào)節(jié)不良。

LT8315 不需要光耦合器，并從電源變壓器上的三級(jí)繞組對(duì)反射的隔離輸出電壓進(jìn)行采樣。此外，當(dāng)次級(jí)電流幾乎為零時(shí)，會(huì)檢測(cè)輸出電壓，以實(shí)現(xiàn)出色的負(fù)載調(diào)節(jié)。在雙輸出設(shè)計(jì)中，這種獨(dú)特的檢測(cè)方案允許對(duì)每個(gè)輸出進(jìn)行嚴(yán)密調(diào)節(jié)——兩個(gè)輸出都可以主導(dǎo)調(diào)節(jié)。因此，可以輕松實(shí)現(xiàn)典型的±5%負(fù)載調(diào)整率。

圖1所示的LT8315解決方案在準(zhǔn)諧振邊界導(dǎo)通模式下工作。初級(jí) MOSFET 具有最小的導(dǎo)通損耗，因?yàn)楫?dāng)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴到其谷值時(shí)，MOSFET 導(dǎo)通。次級(jí)側(cè)沒(méi)有二極管反向恢復(fù)損耗。3 kV增強(qiáng)型絕緣變壓器是跨越隔離柵的唯一組件，可提高系統(tǒng)可靠性并滿(mǎn)足嚴(yán)格的高壓電源隔離要求。圖2顯示了不同輸入電壓下的滿(mǎn)載效率曲線(xiàn)。當(dāng)輸入為70 V且負(fù)載電流均為50 mA時(shí)，該反激式轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)85.3%的峰值效率。

圖1顯示了具有30 V至400 V寬輸入范圍的反激式轉(zhuǎn)換器的完整原理圖。它輸出±12 V，并在5 mA至50 mA的負(fù)載電流范圍內(nèi)保持嚴(yán)格的調(diào)節(jié)。該反激式轉(zhuǎn)換器的峰值效率為85.3%，如圖2所示。

圖1.完整的±12 V/50 mA隔離反激式轉(zhuǎn)換器，適用于30 V至400 V的寬輸入范圍。

圖2.圖1中反激式轉(zhuǎn)換器的滿(mǎn)載效率與輸入電壓的關(guān)系

具有兩個(gè)電感器的非隔離式雙極性降壓穩(wěn)壓器

LT8315 的高電壓輸入能力可通過(guò)使用現(xiàn)成的電感器應(yīng)用于非隔離式解決方案。具有雙電感的降壓穩(wěn)壓器僅需幾個(gè)元件，如圖3所示。該轉(zhuǎn)換器接受30 V至400 V的極寬輸入范圍，并產(chǎn)生±12 V/30 mA輸出。該電路在滿(mǎn)載時(shí)，采用30 V輸入的兩個(gè)輸出的效率可高達(dá)87%。

圖3.采用單LT8315 IC的非隔離式雙電感降壓轉(zhuǎn)換器原理圖：30 V至400 V輸入至±12 V輸出，每個(gè)輸出30 mA。

在這種拓?fù)渲校琇T8315 的 GND 焊盤(pán)有意不接地，并作為公共開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接，用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)輸出。對(duì)于PCB布局，LT8315的GND焊盤(pán)尺寸應(yīng)限制在裸露焊盤(pán)區(qū)域內(nèi)，以減少對(duì)其他組件的電磁干擾，因?yàn)镚ND走線(xiàn)是這種拓?fù)渲邢鄬?duì)嘈雜的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)。二極管D2和FB引腳上的兩個(gè)1%電阻構(gòu)成調(diào)節(jié)正輸出電壓的反饋路徑。D2 對(duì)于防止 FB 引腳在 MOSFET 導(dǎo)通時(shí)放電是必要的。電阻分壓器不需要考慮D2的正向壓降，因?yàn)镈2和D3的正向電壓相等并抵消;因此，反饋網(wǎng)絡(luò)跟蹤并密切調(diào)節(jié)正輸出電壓。

負(fù)電源軌包括低壓耦合電容C飛、第二個(gè)電感L2、一個(gè)箝位二極管D4和負(fù)輸出電容CO2.根據(jù)C電路回路的電感伏秒平衡O1-L1-C飛-L2，L1和L2兩端的平均電壓為零，所以耦合電容C飛的電壓等于正輸出電壓。C飛在 MOSFET 導(dǎo)通期間對(duì) L2 充電，而 D4 在 MOSFET 關(guān)斷期間為 L2 放電提供路徑。負(fù)輸出電壓根據(jù)C的電壓間接調(diào)節(jié)飛保持恒定并等于正輸出電壓。如圖4的調(diào)節(jié)曲線(xiàn)所示，當(dāng)正負(fù)載滿(mǎn)載30 mA時(shí)，負(fù)電源在各種輸入電壓下3 mA至30 mA的負(fù)載范圍內(nèi)保持±5%的調(diào)節(jié)。

圖4.圖3中雙電感降壓轉(zhuǎn)換器在不同輸入電壓下的負(fù)12 V負(fù)載調(diào)節(jié)曲線(xiàn)。

結(jié)論

本文介紹兩種雙極性轉(zhuǎn)換器解決方案，適用于30 V至400 V寬輸入范圍：一種是隔離式，另一種是非隔離式。LT8315 由于其高壓集成 MOSFET、無(wú)光耦合器反饋環(huán)路和內(nèi)部高壓?jiǎn)?dòng)電路，兩者均采用。其他特性包括低紋波突發(fā)模式操作、軟啟動(dòng)、可編程電流限制、欠壓鎖定、溫度補(bǔ)償和低靜態(tài)電流。LT8315 的高集成度簡(jiǎn)化了適用于各種應(yīng)用的高壓輸入和雙極性輸出電路的設(shè)計(jì)。

審核編輯：郭婷