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引言 自從1994年單片開關電源問世以來，為開關電源的推廣和普及創造了條件。開關電源的應用涉及到各種電子電器設備領域，如程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源，更促進了開關電源技術的迅速發展。各種新技術、新工藝和新器件如雨后春筍般，不斷問世，使得開關電源的應用日益普及。開關電源高頻化是其發展的方向，從最初的20kHz提高到現在的幾百kHz甚至幾兆赫茲，高頻化帶來開關電源的小型化。目前，開關電源正朝著高效節能、安全環保、小型化、輕便化方向發展。 LT3573簡介 LT3573是一種單片開關穩壓器件，專為隔離型反擊式拓撲結構而設計。在隔離型反激拓撲結構中，變壓器原邊電路需要時時感知到副邊輸出電壓的變化信息，以便維持輸出電壓穩定。在以往的電路拓撲結構中，常常采用光電耦合器件或者另外增加變壓器繞組，來得到輸出電壓反饋信息。光電耦合器件存在的問題是：①耗費輸出功率;②成本增加，電路結構便得復雜;③有限的動態響應、器件非線性、老化等，都會帶來麻煩。 另外若新增變壓器或變壓器繞組，無形就會使變壓器物理尺寸變大，成本增加，其動態響應也不怎么樣好。而LT3573則無需外接光電耦合器件或第三繞組，其特有的內置反激誤差放大器，在二次側繞組電流為零時，反激誤差放大器開始取樣輸出電壓信息，直接從變壓器原邊的反激電壓波形檢測輸出電壓的變化信息，自動維持輸出電壓的穩定性，這也是此IC設計的亮點之所在。反激電壓由于RFB和Q2的作用，變換成電流，這個電流幾乎全部流過電阻RREF，形成反饋電壓，進入反激誤差放大器，并與其1.22V的參考電壓進行比較，以便后續電路能調整開關管的占空比，達到穩定輸出電壓的目的，如圖1所示。 圖1 LT3573內部拓撲結構框圖 一個1.25A、60V的NPN型功率開關管以及全部控制邏輯單元都集成到一個16引腳MSOP封裝的LT3573內部。極大地簡化了該集成塊應用的外圍電路設計工作，在3V~40V的輸入電壓范圍內工作，最大輸出功率值可達7W.可應用于需要隔離型電源的眾多領域，比如工業、醫療、數據通信、汽車應用、低功率PoE和VoIP電話接口等。 LT3573工作于邊界模式，與對等的連續傳導模式設計相比較，邊界模式工作允許使用較小的變壓器。 鉗位電路的設計 變壓器漏感Lsl(無論原邊還是副邊)，如圖2所示，會在原邊引起一個電壓尖峰出現。當輸出開關關閉后，這個尖峰隨著更高的負載電流越來越尖，這就需要選擇能量吸收網絡消耗掉漏感中儲存的能量。在大多數情況下，需要用緩沖電路，以避免過壓擊穿輸出開關節點。所以，變壓器漏感應盡量減少。 選擇吸收網絡鉗位反激開關電壓尖峰。由于開關變壓器的漏感產生的電壓尖峰，反激電壓可由下式計算： 其中：VF—變壓器二次側整流二極管D2正向壓降; ISEC—變壓器二次側電流; ESR—二次回路的總阻抗; NPS—變壓器有效的原副邊匝數比; VOUT—輸出電壓。 這個電壓和輸入電壓之和(VIN +VFLBK)直接加到了功率開關管Q1的集電極上，容易造成功率開關管Q1的二次擊穿而損壞。為了鉗位電壓尖峰值在開關管的額定值以內，最常用RCD吸收電路，使得開關管關斷期間，儲存在漏感中的能量轉移到吸收網絡電容C1里，并且最終消耗在電阻R1上，如圖2所示。 圖2 RCD吸收電路圖 這里的鉗位二極管D1開關速度要足夠快，否則，開關管關斷瞬間，漏感尖峰無法及時傳遞到電容C1上而會在開關管Q1集電極產生瞬間高壓，如圖3所示。因此，肖特基二極管通常是最好的選擇。 圖3開關管Q1集電極電壓波形示意圖 一旦鉗位二極管D1開通，漏感電流就會被C1吸收，吸收時間不得長于150ns，如圖3所示的tSP開關變壓器設計 4.1原邊最小電感量 因為LT3573通過檢測開關變壓器原邊反激脈沖波來調整隔離輸出電壓。當二次側繞組傳導電流時，LT3573就從SW引腳獲得輸出電壓信息，這時，取樣電路需要一個最低限度的時間取樣輸出電壓。為了保證足夠的取樣時間，原邊就需要保持一個最低電感值LPRI.該電感值計算公式如下： 式中：toff ( MIN) = 350ns，開關管最小關斷時間; IMIN = 250mA，轉換器的最低電流限制。 4.2變壓器匝數比 一般來說，選擇變壓器匝數比，是為了最大限度地獲得輸出功率，也可使轉換器有足夠的電流處理能力，但是匝數比不能太大了。對于低輸出電壓(3.3V或5V)來說，用原邊匝數數倍于副邊匝數(N：1)以最大化變壓器的電流增益(和輸出功率)，此時SW引腳的電壓等于最大輸入電源電壓加上輸出電壓乘以匝數比的和。這個數值必須保持在SW引腳的VSW (MAX)值之下，以防止內部電源開關管崩潰。綜合這些條件，對某一特定應用來說，需要設置一個匝數比的上限值N，選擇一個匝數比足夠低的變壓器。 其中：VSW (MAX)為開關管最大電壓應力。根據電路仿真，得出如表1所示的在不同變壓器匝數比情況下，開關電壓應力和輸出電流能力。 表1開關電壓應力和輸出電流能力與匝數比 實際應用電路及仿真分析仿真實驗電路如圖4所示，采用12V輸入電壓，開關變壓器原副邊的繞組匝數比設為3：1，RREF引腳外接對地參考電阻，阻值一般設為6.04k，此電阻值不能偏離6.04k過大，一般百分之幾的變化是可以接受的，否則，會引起大的輸出電壓誤差。RFB為外部反饋電阻器的輸入引腳，此處阻值設為80.6k.此引腳連接到變壓器的原邊(Vsw)。這個電阻與RREF電阻的比值，決定了輸出電壓(加上任何非一體化的變壓器匝數比的影響)。在反激期間，通過這個電阻的平均電流大約為200μA.也可以用如下公式來確定RFB與RREF之間的關系： 其中：—開關管Q1的Ic/Ie比值，典型值為0.986;VTC—0.55V; VBG—內部帶隙基準電壓。 圖4實際應用電路示例 Tc引腳內部連接了一個正溫度系數電流源到RREF引腳，引腳外部接輸出電壓溫度補償電阻，產生的電流正比于絕對溫度，仿真時阻值設為28.7k.RILIM最大電流限制調整引腳，用一個10k的電阻就可以讓LT3573達到最大工作電流能力。/UVLO為關斷/欠壓閉鎖引腳，連接到Vin的電阻分壓器固定在此引腳上，以便提供LT3573工作的最低輸入電壓。當電壓低于約0.7V時，內部電路幾乎沒有靜態電流。當>0.7V且1.25V時，內部電路將開啟并且有10μA電流將輸入SS引腳。 電路仿真各個關鍵電位的波形如圖5所示。從波形圖上可以驗證，邊界模式每個周期讓二次側電流歸零，這樣寄生電阻的電壓降不會導致負載穩定性誤差。電路可穩定輸出5V直流電壓，0.5A的直流電流，額定功率達到2.5W.輸入電壓為12V時，開關管Q1最大電壓應力約28V，符合預定設計目標。 圖5電路仿真關鍵點波形 結束語 此種電路設計的亮點在于沒有使用光電耦合器件，或變壓器，或變壓器繞組，而是靠檢測開關管集電極電壓波形來穩定輸出電壓，簡化了外圍電路，既避免了電路額外的功率損耗，同時又增加了電路的可靠性。 |
