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电流模式反激式DC/DC控制器提供了极大的设计灵活性

来源:analog 发布时间:2024-07-23

摘要: 就其性质而言,反激式DC/DC变换器是最通用的功率变换器拓扑之一。由于它使用变压器,因此可以升压或降压,并在需要时提供直流隔离。

就其性质而言,反激式DC/DC变换器是最通用的功率变换器拓扑之一。由于它使用变压器,因此可以升压或降压,并在需要时提供直流隔离。应用包括网络设备、以太网供电(PoE)、汽车、消费者和一般系统维护的电源。LTC3805旨在增强基本反激变换器的灵活性,从而可以针对不同的应用优化单个设计。转换器的输入和输出电压仅受外部元件(如功率MOSFET和变压器)的额定值的限制。LTC3805可以编程为频率、斜率补偿、软启动、输入电压运行/停止阈值(包括可编程滞后)、与外部频率源同步以及过流保护,以保护转换器免受故障的影响。

36V-72V至3.3V在3A非隔离反激

图1显示了LTC3805在非隔离反激变换器中的情况,其输入电压范围为36V至72V, 3A时输出电压为3.3V。本节的其余部分将详细介绍在创建此转换器时所做的设计决策,并描述为各种应用程序更改设计的方法。下一节将描述该转换器的独立版本。


图1所示 非隔离36V到72V到3.3V 3A反激变换器。

V(CC)电源和启动

在本设计中,LTC3805的启动V(CC)功率由使用NPN晶体管、齐纳二极管和两个电阻的外部预调节器提供。一旦转换器开始工作,变压器上的一个绕组提供一个偏置电源,关闭NPN晶体管,以节省电力和提高效率。另外,由于LTC3805具有40μA的超低关断电流,因此可以使用简单的涓流充电器来消除NPN预调节器。LTC3805的V(CC)上升阈值为8.5V,下降阈值为4V,因此有足够的滞后来实现涓流充电器。在任何一种情况下,请注意V(CC)没有连接到V(In),因此几乎任何高于8.5V的输入电源都可以通过适当选择外部组件来容纳,并且一旦启动,LTC3805可以在输入电源低至4V的情况下运行。

编程V(出)

FB引脚通过电阻分压器将输出电压与LTC3805的0.8V内部基准电压进行比较,从而监测输出电压。由于FB引脚没有直接连接到输出,LTC3805可以适应任何输出电压低至0.8V,只需调整电阻值。

选择的频率

200kHz的工作频率由FS引脚上的118k欧姆电阻编程。通过改变这个电阻,工作频率可以设置在70kHz和700kHz之间的任何地方。高功率设计倾向于使用较低的频率,而低功率设计倾向于使用较高的频率。LTC3805的频率可编程性允许为任何给定的设计选择最佳频率。

V(IN)阈值编程

V(IN)的上升阈值独立于V(CC)的阈值,由连接到RUN引脚的221k欧姆和8.86k欧姆电阻设置。RUN引脚的上升阈值为1.2V,其绝对最大电压为18v - 15:1。因此,RUN引脚适用于具有宽范围输入电压的设计,并且仍然具有足够高的额定电压,以承受V(IN)上的瞬态过电压。一旦启动,LTC3805从RUN引脚输出5μA电流。乘以221k欧姆电阻器,该电流将V(IN)上的迟滞设置为1.1V。在保持比例不变的情况下,通过改变221k欧姆和8.86k欧姆电阻的值,可以选择具有相同上升阈值的不同迟滞。

设置软启动

在这种情况下,启动时V(OUT)的变化率由SSFLT引脚上的电容(0.1μ f)编程。选择SSFLT电容器的一个主要考虑因素是用于旁路V(OUT)的滤波电容器。一般来说,较大的输出滤波电容需要较慢的软启动,以限制由充电滤波电容引起的涌流。相反,如果变换器有一个小的输出滤波电容,则可以省略SSFLT电容,并且LTC3805内部软启动在1.8ms内上升输出电压。

编程斜率补偿和过流操作

68毫欧电阻通过主NMOS开关监测电流,并分别通过I(SENSE)和OC引脚实现电流模式控制和过流保护。I(SENSE)引脚监控通过主开关的电流,当电流超过I(TH)引脚上电压设定的电平时将其关闭。3.01k欧姆电阻器使用由LTC3805提供的斜坡电流来设置斜坡补偿的量。

过流保护级别由1.33k欧姆电阻与OC引脚串联设置,OC引脚提供恒定的10μA电流。使用这个电阻器可以对几种行为进行编程。这个特殊的设计被设置为调节输出电压高达3A,然后过流跳闸刚好高于这个电压。另一种策略,使用较小的电阻,将允许输出电压下降,当转换器进入限流,然后跳闸过流,只是为了防止损坏。在任何一种情况下,一旦有过流跳闸LTC3805关闭,等待一个超时间隔,通过释放SSFLT引脚上的电容器确定,然后如果过流故障已被移除,则重新启动。如果故障没有消除,LTC3805进入打嗝模式,它定期尝试重启,周期由SSFLT引脚上的电容决定。因此,LTC3805完全保护反激变换器不受输出短路的影响。

频率同步到外部源

虽然在图1中显示为接地,但SYNC引脚用于将LTC3805的工作频率同步到外部源。同步信号可以在没有任何特定排序要求的情况下应用和删除——它可以在LTC3805开始运行之前出现,也可以在LTC3805开始运行之后应用,使用FS引脚上的电阻编程的频率。当同步信号被应用时,LTC3805在两个操作周期内锁定信号。当同步信号被移除时,LTC3805不需要超过两个周期就能跳回到由FS引脚编程的频率。

隔离式变换器设计

图1所示的基本设计可以修改为在输入和输出之间提供直流隔离,方法是在变压器的二次侧增加一个参考,如LT4430,以及一个光隔离器,从隔离的二次侧向LTC3805提供反馈。图2显示了DC1045演示电路的照片,它是一个隔离转换器,与图1中的转换器具有相同的基本设计和性能,并且代表了隔离和非隔离设计的尺寸。图3显示了隔离变换器的效率,也是非隔离变换器的代表。


图2 隔离36V到72V到3.3V 3A反激转换器。


图3 隔离和非隔离36V-72V至3.3V 3A反激变换器的效率。

修改不同的输入或输出电压

上述两种应用代表了典型的非隔离和隔离10W反激变换器。采用这种基本设计并通过缩放外部元件与电压变化成正比来改变输入或输出电压是相当容易的。这些变化对LTC3805是透明的,并且可以用不比图1更复杂的电路和不比图2更大的电路板来完成。

降低输入电压,增加输入电流,主要是选择电压较低、额定电流较大的NMOS电源开关,选择匝数较少、线径相应较大的变压器初级绕组。对于输入滤波电容,可以按比例降低额定电压,增加电容。此外,连接到RUN引脚的电阻分压器必须根据新的输入电压进行调整。最后,68毫欧电流检测电阻的值应降低,以考虑更高的输入电流。当输入电压增加时,一切都按相反的方向成比例地改变。

同样,输出电压的变化涉及二极管的变化,变压器次级绕组的匝数和输出滤波电容器的额定电压和值,以及感知输出电压的分压器的适当变化。如果输出电压在4V和9V之间,非隔离转换器的设计非常简单,因为V(CC)可以由直接连接到输出的二极管提供,而不是变压器上的第三个绕组。

结论

反激变换器由于其灵活性,是目前应用最广泛的变换器。LTC3805最大限度地提高了反激变换器的灵活性,使其可以在大范围的变换器输入和输出电压下使用相同的基本电路。简单地缩放组件值,以匹配电压和电流条件,大大简化了板的设计和更新。

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