如何設(shè)計(jì)隔離式高頻推挽式DC/DC轉(zhuǎn)換器

具有固定占空比為 50% 的簡單推挽式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器通常用作通信系統(tǒng)、醫(yī)療器械和分布式電源中的低噪聲變壓器驅(qū)動(dòng)器。這種簡單的方案不提供電壓調(diào)節(jié)，需要低壓差（LDO）后置穩(wěn)壓器，這種組合會(huì)帶來潛在的嚴(yán)重問題。首先，驅(qū)動(dòng)器輸入電壓的任何顯著變化以及固定的50%占空比都會(huì)增加LDO兩端的差分電壓，從而導(dǎo)致LDO的顯著功率損耗和高溫升。其次，低開關(guān)頻率需要相對(duì)笨重的變壓器，有時(shí)占用30%至50%的轉(zhuǎn)換器空間。

LT?3999 單片式 DC/DC 推挽式驅(qū)動(dòng)器通過兩個(gè)重要特性避免了這些問題：占空比控制和高頻操作：

占空比控制允許對(duì)寬 V 進(jìn)行補(bǔ)償在變化是標(biāo)準(zhǔn)固定占空比變壓器驅(qū)動(dòng)器無法做到的，在面對(duì)寬輸入范圍時(shí)大大降低了LDO損耗。

高達(dá) 1MHz 的高開關(guān)頻率可實(shí)現(xiàn)更小的變壓器和更低的輸出紋波。

LT3999 將這兩個(gè)特性與高 36V 輸入電壓和 1A 輸入電流能力相結(jié)合，使其成為一款高功率和靈活的低噪聲推挽式轉(zhuǎn)換器 IC。

本文介紹了兩個(gè)分步設(shè)計(jì)過程：一個(gè)用于具有寬輸入范圍的推挽式DC/DC轉(zhuǎn)換器，另一個(gè)用于具有固定輸入電壓的緊湊型高頻變壓器驅(qū)動(dòng)器。

推挽式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，適用于寬范圍輸入

圖1b中的流程圖顯示了如何通過八個(gè)簡單的步驟設(shè)計(jì)推挽式轉(zhuǎn)換器。這些階躍產(chǎn)生 LT3999 10V–15V 輸入、±12V 輸出、200mA 1MHz 推挽式轉(zhuǎn)換器，如圖 1a 所示。

圖1.（a） LT3999 推挽式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，具有寬輸入范圍和占空比控制 （b） 簡單的 8 步推挽式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

圖2.通過電阻分壓器設(shè)置精密 UVLO 和 OVLO/DC，使用 （a） 2 電阻方法或 （b） 3 電阻方法。

第 1 步：設(shè)置開關(guān)頻率 （RT)

首先，用R設(shè)置開關(guān)頻率T;從 LT3999 數(shù)據(jù)手冊(cè)的表 1 中選擇的值。

第 2 步：設(shè)置輸入電壓范圍（UVLO、OVLO/DC）

UVLO（欠壓鎖定）和 OVLO/DC（過壓鎖定/占空比）引腳用于設(shè)置輸入電壓范圍?？梢允褂?2 電阻或 3 電阻方法。對(duì)于圖2a所示的2電阻方法，RB分別使用 UVLO 和 OVLO/DC 的公式 1 和 2 計(jì)算。對(duì)于低損耗，我們可以假設(shè) R一個(gè)= 1MΩ。

對(duì)于圖2b所示的3電阻方法，R答1和 RB分別由 UVLO 和 OVLO/DC 的等式 3 和 4 計(jì)算得出。R答2可以選擇1MΩ左右。

對(duì)于圖1a中使用的2電阻方法：

第 3 步：設(shè)置最大占空比 （R直流（最大）)

最大占空比（直流）.MAX） 由切換周期 （TS = 1/fSW） 和非重疊時(shí)間 （TD（分鐘）） 在兩個(gè)電源開關(guān)之間，如公式 5 所示。對(duì)于2電阻方法，R直流由公式 6 計(jì)算。對(duì)于 3 電阻方法，將 R 替換為 R一個(gè)= R答1( 1答2在等式 6 中。

在圖 1（a） 示例中，TS = 1μs/ 7D（分鐘）= 70ns （數(shù)據(jù)手冊(cè)中的典型值），V在（分鐘） = 10V， R一個(gè)= 1M， RB= 143k。計(jì)算 5 和 6 給出直流.MAX= 0.43 和 R直流= 13.3k。

步驟 4：選擇變壓器 （T1）

變壓器匝數(shù)比如公式7所示。

V西 南部是內(nèi)部開關(guān)的開關(guān)飽和電壓。VF是整流二極管的正向電壓。V低密度脂蛋白1和 V低密度脂蛋白2是正負(fù)LDO的壓差。V西 南部= 0.4V， VF= 0.7V， V低密度脂蛋白1= V低密度脂蛋白2= 0.8V是很好的經(jīng)驗(yàn)法則。如果找不到具有精確計(jì)算匝數(shù)比的商用變壓器，請(qǐng)選擇一個(gè)接近的變壓器并計(jì)算直流.MAX相應(yīng)地在等式7中。然后，重新計(jì)算 R直流在公式6中基于新直流電.MAX.

在圖 1（a） 示例中，V輸出1= ?V輸出2= 12V 和 V在（分鐘）= 10V，因此為 D 選擇沃斯 750314781 （N = 2）最高時(shí)電= 0.43。

步驟 5：設(shè)計(jì)整流器（D1、D2、D3 和 D4）

整流橋兩端的峰值電壓由變壓器二次側(cè)電壓（V秒） 加上任何振鈴電壓尖峰。V秒使用公式 8 計(jì)算。然而，振鈴電壓尖峰很難預(yù)測(cè)，因?yàn)樗Q于環(huán)路電阻、變壓器的漏感和整流器的結(jié)電容。作為一般規(guī)則，整流器額定電壓（V娛樂） 應(yīng)至少為變壓器匝數(shù)比乘以最大輸入電壓的 1.5 倍。由于兩個(gè)次級(jí)繞組連接在整流橋上，因此需要2倍，從而產(chǎn)生整流器額定電壓的公式：

整流器的額定電流（I娛樂） 應(yīng)大于負(fù)載電流。

當(dāng) V在（最大）= 15.5V， N = 2， V娛樂≥ 93V，I娛樂≥ 200mA：中央CMSH1-200HE（200V，1A）滿足這些要求。

圖3.LDO （U2） V在? V外差分和功率損耗與輸入電壓的關(guān)系

圖4.LDO （U2） V在? V外差分和功率損耗與負(fù)載的關(guān)系

第 6 步：選擇電感器（L1、L2）

最小電感值（L最低） 由內(nèi)部切換器的峰值電流限值 （I林），如等式9所示。

電感越高，調(diào)節(jié)效果越好，電壓紋波越低，但需要相應(yīng)更大的體積部件。最佳電感值是通過考慮輸出噪聲和解決方案體積要求來確定的。

當(dāng) V在（最大）= 15.5V，直流最低= 0.28， TS = 1μs， N = 2， I林= 1A， I輸出1= I輸出2= 200mA， L最低= 38.3μH：線藝XFL3012-393MEC （39.3μH）在不增加不必要的尺寸的情況下滿足這些要求。

步驟 7：選擇低壓差線性穩(wěn)壓器（U2、U3）

LDO的最大電壓發(fā)生在空載下的最大輸入電壓下，當(dāng)V秒等于 V在（最大）? N.LDO的額定電流應(yīng)大于負(fù)載電流。

當(dāng) V在（最大）= 15.5V， N = 2，LDO 的額定電壓應(yīng)分別為 31V 和 ?31V，分別由 LT3065 （45V， 500mA） 和 LT3090 （?36V， 400mA） 滿足。

步驟 8：添加緩沖器（CS 和 RS）

設(shè)計(jì)RC緩沖器的推薦方法（CS和 RS圖 1） 中）是測(cè)量 LT3999 的 SWA 和 SWB 引腳在其開關(guān)穩(wěn)壓器在沒有緩沖器的情況下關(guān)斷時(shí)的振鈴周期，然后添加電容 — 從 100pF 范圍內(nèi)的電容開始 — 直到振鈴周期延長 1.5 倍至 2 倍。

周期的變化決定了寄生電容的值（C?），其中寄生電感（L?） 可以從初始周期確定。同樣，可以使用數(shù)據(jù)手冊(cè)中的開關(guān)電容和變壓器漏感值來估計(jì)初始值。

一旦知道漏極節(jié)點(diǎn)電容和電感的值，就可以在緩沖電容上增加一個(gè)串聯(lián)電阻，以耗散功率并嚴(yán)格抑制振鈴。使用觀測(cè)周期（t時(shí)期和 t周期（已占用）） 和緩沖電容 （CS） 如下。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱 LT3748 的產(chǎn)品手冊(cè)。

結(jié)果

圖3、4和圖5中的測(cè)量結(jié)果表明，圖1所示推挽式轉(zhuǎn)換器中的占空比控制保持低V。在? V外LDO 兩端的差分，從而將功率損耗和溫升降至最低。圖3顯示，當(dāng)每個(gè)LDO為200mA時(shí)，V差異，在 10V – 15V 的整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)保持在 2.5V 以下。圖4顯示，在整個(gè)負(fù)載電流范圍內(nèi)，功率損耗仍然很低。圖5和圖6顯示了熱結(jié)果。

為了進(jìn)行比較，圖7顯示了禁用占空比控制并啟用占空比控制的設(shè)計(jì)的效率比較。當(dāng)輸入電壓增加時(shí)，效率急劇下降。圖8顯示了禁用占空比控制并啟用占空比控制時(shí)正LDO兩端的差分電壓。圖9和圖10顯示了熱結(jié)果。很明顯，占空比控制降低了差分電壓，提高了效率和熱性能。

圖5.圖1中設(shè)計(jì)的熱圖像，V在= 10V

圖6.熱圖像，V在= 15V

用于固定輸入電壓的緊湊型變壓器驅(qū)動(dòng)器

通常，基本非穩(wěn)壓變壓器驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換器的輸出電壓隨著負(fù)載電流的變化而顯著變化。為了產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓，強(qiáng)烈建議在輸出端使用LDO。圖 6a 示出了使用 LT3999 的低元件數(shù)變壓器驅(qū)動(dòng)器的原理圖。圖 6b 顯示了設(shè)計(jì)流程圖。

流程圖中的四個(gè)簡單步驟可用于設(shè)計(jì)一個(gè)1MHz、低器件數(shù)、5V輸入、5V輸出400mA輸出變壓器驅(qū)動(dòng)器。

第 1 步：設(shè)置開關(guān)頻率 （RT)

LT3999 的開關(guān)頻率由單個(gè) R 設(shè)定T根據(jù) LT3999 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的表 （頻率范圍為 50kHz 至 1MHz） 選擇電阻器。

在設(shè)計(jì)示例中，對(duì)于高頻f西 南部= 1兆赫，RT= 12.1k。

步驟 2：選擇變壓器 （T1）

變壓器匝數(shù)比由以下因素決定：

其中 V西 南部是內(nèi)部開關(guān)穩(wěn)壓器的開關(guān)飽和電壓，VF是整流二極管的正向電壓。

圖7.禁用占空比控制并啟用占空比控制時(shí)設(shè)計(jì)的效率比較，I輸出1= I輸出2= 200mA

V線性分布器是從非穩(wěn)壓變壓器驅(qū)動(dòng)器輸出到后穩(wěn)壓低噪聲輸出的壓降。V線性分布器是最高電流下的壓降，因此應(yīng)將其最小化。0.8V提供足夠的壓降，以避免壓降，而不會(huì)使LDO變熱。一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則假設(shè)是VSW = 0.4V，VF = 0.7V，V線性分布器= 0.8V。

變壓器的額定電流應(yīng)比輸出電流大20%~50%，以留出一定的空間。

峰值磁化電流（IM（峰值））和反射到初級(jí)側(cè)的滿載電流（N?I外） 應(yīng)小于內(nèi)部切換器的峰值電流限值 （I林).基于此，最小LM（L米（分鐘）） 是必需的。

圖8.LDO （U2） V在? V外差分與V在滿載時(shí)，禁用占空比控制并啟用占空比控制，I輸出1= I輸出2= 200mA

圖9.圖1、V電路中禁用占空比控制的設(shè)計(jì)熱圖像在= 10V

圖 10.圖1、V電路中禁用占空比控制的設(shè)計(jì)熱圖像在= 15V

我M（峰值）+ N ? I外

對(duì)于 V外= V在= 5V，線藝PA6383-AL（N = 1.5）非常適合。

第 3 步：整流器（D1、D2）

根據(jù)電壓和電流選擇整流二極管。由于其中心抽頭結(jié)構(gòu)，二極管兩端的電壓是變壓器二次電壓的兩倍以上。整流器的額定電壓應(yīng)大于2N?V在= 15V，可能減少20%。

圖 11.（a） 零件數(shù)量少，固定輸入電壓互感器驅(qū)動(dòng)器。（b） 變壓器驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)流程圖

CMSH1-20M（20V，1A）滿足這些要求。

第 4 步：低壓差線性穩(wěn)壓器（U2，可選）

可選后置穩(wěn)壓 LDO 的最大輸入電壓 （VLDO_IN（最大）） 在空載時(shí)發(fā)生，等于 V在? N = 7.5V。LDO的額定電流應(yīng)大于負(fù)載電流（在設(shè)計(jì)示例中為>400mA）。

LT1763 （20V， 500mA） 是用于 5V、400mA 輸出的良好 LDO。

結(jié)論

LT?3999 是一款單片式 DC/DC 變壓器驅(qū)動(dòng)器，其具有占空比控制、高頻和高功率。它允許寬輸入電壓范圍和LDO的低損耗，同時(shí)由于其高頻操作而使用小型無源元件。它還具有高達(dá) 36V 的輸入電壓和高達(dá) 1A 的輸入電流。

審核編輯：郭婷