將600V輸入、非光耦合器隔離反激式控制器的電源電壓擴(kuò)展至800V或更高

Yuchen Yang 和 William Xiong

傳統(tǒng)的高壓隔離反激式轉(zhuǎn)換器利用光耦合器將穩(wěn)壓信息從次級(jí)側(cè)基準(zhǔn)電源電路傳輸?shù)匠跫?jí)側(cè)，由此實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確穩(wěn)壓。問(wèn)題在于光耦合器會(huì)大大增加隔離設(shè)計(jì)的復(fù)雜性：存在傳播延遲、老化和增益變化，所有這些都會(huì)使電源回路補(bǔ)償變得復(fù)雜，且會(huì)降低可靠性。此外，在啟動(dòng)過(guò)程中，需要采用泄放電阻或高壓?jiǎn)?dòng)電路來(lái)初始啟動(dòng)IC。除非在啟動(dòng)組件中額外添加一個(gè)高壓MOSFET，否則泄放電阻將消耗大量電源。

LT8316是一種微功率、高壓反激式控制器，不需要光耦合器、 復(fù)雜的次級(jí)側(cè)基準(zhǔn)電源電路或附加的啟動(dòng)組件。

擴(kuò)展電源電壓

LT8316采用熱增強(qiáng)型20引腳TSSOP封裝，去除了4個(gè)引腳，以顯示高壓間隔。通過(guò)對(duì)第三繞組的隔離輸出電壓采樣，無(wú)需采用光耦合器來(lái)進(jìn)行穩(wěn)壓。輸出電壓通過(guò)兩個(gè)外部電阻和第三個(gè)可選溫度補(bǔ)償電阻進(jìn)行編程。準(zhǔn)諧振邊界模式操作有助于實(shí)現(xiàn)出色的負(fù)載調(diào)整、小變壓器尺寸和低開(kāi)關(guān)損耗，特別是在高輸入電壓下。由于輸出電壓是在次級(jí)側(cè)電流幾乎為零時(shí)檢測(cè)，所以無(wú)需采用外部負(fù)載補(bǔ)償電阻和電容。因此，LT8316解決方案采用的組件數(shù)量較少，大大簡(jiǎn)化了隔離反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)（參見(jiàn)圖1）。

圖1. 完整的12 V隔離反激式轉(zhuǎn)換器，適用于20 V至800 V廣泛輸出，最小啟動(dòng)電壓為260 V。

LT8316的額定工作電壓最大為600 V，但可以通過(guò)更換與VIN引腳串聯(lián)的齊納二極管來(lái)進(jìn)行擴(kuò)展。齊納二極管的電壓會(huì)降低供給芯片的電壓，使得電源電壓超過(guò)600 V。

圖1所示為輸入電壓為18 V至800 V的反激式轉(zhuǎn)換器的整個(gè)原理圖。如需查看詳細(xì)的組件選擇指南，請(qǐng)參考LT8316數(shù)據(jù)手冊(cè)。220 V齊納二極管與VIN引腳串聯(lián)時(shí)，鑒于齊納二極管存在電壓容差，電路的最小啟動(dòng)電壓約為260V。注意，在啟動(dòng)后，LT8316可以在電壓低于260V時(shí)正常工作。

圖2顯示了不同輸入電壓下的效率，反激式轉(zhuǎn)換器的峰值效率達(dá)到91%。即使沒(méi)有光耦合器，不同輸入電壓下的負(fù)載調(diào)整仍然保持準(zhǔn)確，具體如圖3所示。

圖2. 圖1中反激式轉(zhuǎn)換器的效率。

圖3. 圖1中反激式轉(zhuǎn)換器的負(fù)載和電壓調(diào)整率。

低啟動(dòng)電壓設(shè)計(jì)

之前的解決方案雖然將輸入電壓擴(kuò)展到800 V，但齊納二極管將最小啟動(dòng)電壓提高到了260 V。挑戰(zhàn)在于，有些應(yīng)用既需要高輸入電壓，也需要低啟動(dòng)電壓。

圖4所示為備選的800 V最大輸入電壓解決方案。這個(gè)電路使用齊納二極管和一個(gè)二極管來(lái)構(gòu)成電壓穩(wěn)壓器。輸入電壓可以穩(wěn)定增加至800 V，而VIN引腳的電壓穩(wěn)定保持在560 V左右。這個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)在于，它允許LT8316以更低的電源電壓?jiǎn)?dòng)。

圖4. 隔離反激式轉(zhuǎn)換器的原理圖：20 V至800 V輸入轉(zhuǎn)換至12 V，啟動(dòng)電壓低。

非隔離降壓轉(zhuǎn)換器

LT8316的高壓輸入功能在簡(jiǎn)單的非隔離降壓轉(zhuǎn)換器中可以輕松實(shí)現(xiàn)，且無(wú)需采用隔離式變壓器。采用價(jià)格相對(duì)便宜的現(xiàn)成電感作為電磁組件。

對(duì)于非隔離降壓應(yīng)用，LT8316的接地引腳連接至降壓拓?fù)涞拈_(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，其電壓可變。LT8316采用獨(dú)有的檢測(cè)方法，只在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)接地時(shí)檢測(cè)輸出電壓，因此降壓原理圖相當(dāng)簡(jiǎn)單。

與反激式轉(zhuǎn)換器一樣，降壓轉(zhuǎn)換器的電源電壓也可以擴(kuò)展。圖5顯示了輸入電壓最高可達(dá)800 V的降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖。LT8316的電源電壓和VIN引腳之間存在一個(gè)220 V齊納二極管。鑒于齊納二極管存在電壓容差，最小的啟動(dòng)電壓為260 V。啟動(dòng)之后，LT8316繼續(xù)以更低的電源電壓正常運(yùn)行。圖6顯示了不同輸入電壓下的效率，降壓轉(zhuǎn)換器的峰值效率達(dá)到91%。圖7顯示了負(fù)載和電壓調(diào)整率。

圖5. 電源電壓最高800 V的非隔離降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖。

圖6. 圖5中降壓轉(zhuǎn)換器的效率。

Fig圖7. 圖5中降壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)載和電壓調(diào)整率。

與圖4中的反激式轉(zhuǎn)換器類似，可以在電源電壓和VIN引腳之間增加電壓穩(wěn)壓器，以使降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)低啟動(dòng)電壓。需要注意的是，GND引腳和VIN引腳之間存在一個(gè)體二極管，它會(huì)增高晶體管的射極電壓，導(dǎo)致基極射極擊穿。為了防止出現(xiàn)這種情況，我們?cè)黾觾蓚€(gè)二極管來(lái)保護(hù)該晶體管。圖8所示為低啟動(dòng)電壓解決方案。

圖8. 采用低啟動(dòng)電壓的800 VIN非隔離降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖。

結(jié)論

LT8316在準(zhǔn)諧振邊界模式下工作，無(wú)需采用光耦合器即可實(shí)現(xiàn)出色穩(wěn)壓。此外，它還具有豐富的特性，包括低紋波突發(fā)模式(Burst Mode?)工作、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。高度集成簡(jiǎn)化了組件數(shù)量較少的高性能解決方案的設(shè)計(jì)，涉及的應(yīng)用范圍非常廣泛，從由電池供電的系統(tǒng)到汽車、工業(yè)、醫(yī)療、電信電源以及隔離輔助/家用電源。

審核編輯：郭婷