采用單個IC從30V至400V輸入產(chǎn)生隔離或非隔離±12V輸出
發(fā)布時間:2019-12-31 來源:ADI公司 Zhijun (George) Qian,William Xiong 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】電動汽車、大型儲能電池組、家庭自動化、工業(yè)和電信電源都需要將高電壓轉(zhuǎn)換為±12 V,以滿足為放大器、傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和工業(yè)過程控制器供電的雙極性電源軌需求。所有這些系統(tǒng)中的挑戰(zhàn)之一是構(gòu)建一個緊湊、高效的雙極性穩(wěn)壓器,它的工作溫度范圍為-40°C至+ 125°C,這在汽車和其他高環(huán)境溫度應(yīng)用中尤為重要。
線性穩(wěn)壓器已廣為人知,并且通常位列雙極性電源備選方案的首位,但它不適用于上述高輸入電壓、低輸出電壓的應(yīng)用,這主要是由線性穩(wěn)壓器在高降壓比下的散熱所導(dǎo)致。此外,雙極性解決方案至少需要兩個集成電路(IC):一個正輸出線性穩(wěn)壓器和一個負(fù)輸出轉(zhuǎn)換器。更好的解決方案是使用單個開關(guān)穩(wěn)壓器,該開關(guān)穩(wěn)壓器從較高的輸入產(chǎn)生兩個輸出,并具有良好的效率和調(diào)節(jié)性能,同時還能適用于狹小空間并降低成本。
本文介紹了兩種精簡電路,它們均使用單個高電壓LT8315轉(zhuǎn)換器,可由30V至400V的寬輸入電壓范圍產(chǎn)生±12V輸出。一個電路是隔離型反激式拓?fù)?,另一個則是非隔離型降壓拓?fù)?。LT8315本身是一款高電壓單芯片轉(zhuǎn)換器,內(nèi)置集成630 V/300 mA MOSFET、控制電路和高電壓啟動電路,采用耐熱增強型20引腳TSSOP封裝。
無需光耦合器的隔離型雙極性反激式穩(wěn)壓器
反激式轉(zhuǎn)換器廣泛用于多輸出應(yīng)用,以提供電氣隔離、改善安全性并增強抗擾性。輸出可以為正,亦可為負(fù),具體取決于輸出的哪一端接地。傳統(tǒng)上,采用光耦合器將信息從副邊基準(zhǔn)電壓源電路傳輸至原邊,以此來實現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)。問題在于,由于傳播延遲、老化和增益變化等原因,光耦合器會大大增加復(fù)雜性并降低可靠性。通常,連接至IC反饋引腳的輸出在調(diào)節(jié)回路中占主導(dǎo)地位,而其他輸出則通過變壓器繞組進(jìn)行松散控制,導(dǎo)致這些輸出的調(diào)節(jié)性能不良。
LT8315無需使用光耦合器,它從電源變壓器的第三繞組采樣反激回來的隔離輸出電壓。此外,它在副邊電流幾乎為零時亦可檢測到輸出電壓,以實現(xiàn)出色的負(fù)載調(diào)整。在雙輸出設(shè)計中,這種特殊的檢測方案允許嚴(yán)密調(diào)節(jié)每個輸出(兩個輸出都能主導(dǎo)調(diào)節(jié))。因此,典型的±5%負(fù)載調(diào)節(jié)非常易于實現(xiàn)。
圖1所示的LT8315解決方案在準(zhǔn)諧振邊界傳導(dǎo)模式下工作。原邊MOSFET具有很低的導(dǎo)通損耗,這是因為當(dāng)開關(guān)節(jié)點振鈴達(dá)到其谷值時,MOSFET才導(dǎo)通。副邊沒有二極管反向恢復(fù)損耗。3 kV增強絕緣變壓器是整個隔離柵上唯一的組件,它可提升系統(tǒng)可靠性并滿足嚴(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載效率曲線。當(dāng)輸入為70 V且兩個負(fù)載電流均為50 mA時,該反激式轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)85.3%的峰值效率。
圖1顯示了一款具有30 V至400 V寬輸入范圍的反激式轉(zhuǎn)換器的完整原理圖。它的輸出為±12 V,并可在負(fù)載電流為5 mA至50 mA時保持非常準(zhǔn)確的控制。該反激式轉(zhuǎn)換器的峰值效率為85.3%,如圖2所示。
圖1.一款用于30 V至400 V寬輸入范圍的完整±12 V/50 mA隔離型反激式轉(zhuǎn)換器。
圖2.圖1所示反激式轉(zhuǎn)換器的滿載效率與輸入電壓的關(guān)系。
圖3.使用單個LT8315 IC的非隔離型雙電感降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖:從30 V至400 V輸入轉(zhuǎn)換至±12 V輸出(每路30 mA)。
采用單個IC從30 V至400 V輸入產(chǎn)生隔離或非隔離±12 V輸出
采用雙電感的非隔離型雙極性降壓穩(wěn)壓器
LT8315具備高電壓輸入能力,只需借助現(xiàn)成的電感,即可以應(yīng)用于非隔離型解決方案。圖3顯示了一款采用雙電感的降壓穩(wěn)壓器,僅需幾個組件。該轉(zhuǎn)換器可接受的輸入電壓范圍很寬(-30 V至400 V),并能產(chǎn)生±12 V/30 mA的輸出。當(dāng)輸入為30 V時,該電路的兩個輸出均可實現(xiàn)滿載條件下高達(dá)87%的效率。
在這種拓?fù)渲?,LT8315的GND焊盤特意未接地,而是連接作為驅(qū)動兩個輸出的公共開關(guān)節(jié)點。在PCB布局時,應(yīng)將LT8315的GND焊盤尺寸限制在裸露焊盤面積內(nèi),以減少對其他組件的電磁干擾,因為GND走線是該拓?fù)渲性肼曄鄬^高的開關(guān)節(jié)點。二極管D2與FB引腳上的兩個1%電阻形成反饋路徑,以調(diào)節(jié)正輸出電壓。每當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時,為防止FB引腳放電,D2必不可少。電阻分壓器無需考慮D2的正向壓降,因為D2和D3的正向電壓相等并且可以互相抵消;因此,反饋網(wǎng)絡(luò)會跟蹤并嚴(yán)密調(diào)節(jié)正輸出電壓。
負(fù)軌包括低電壓耦合電容CFLY、第二電感L2、環(huán)流二極管D4和負(fù)輸出電容CO2。根據(jù)CO1-L1-CFLY-L2電路回路的電感伏秒平衡,L1和L2兩端的平均電壓為零,因此耦合電容CFLY的電壓等于正輸出電壓。CFLY在MOSFET導(dǎo)通期間為L2充電,而D4在MOSFET關(guān)斷期間為L2提供放電路徑。負(fù)輸出電壓基于CFLY電壓(保持恒定并等于正輸出電壓)間接調(diào)節(jié)。如圖4的調(diào)節(jié)曲線所示,當(dāng)正輸出電壓負(fù)載為滿載30 mA時,對于不同的輸入電壓,負(fù)輸出電壓在3 mA至30 mA的負(fù)載范圍內(nèi)保持±5%的調(diào)節(jié)率。
圖4.圖3所示雙電感降壓轉(zhuǎn)換器在各種輸入電壓下的負(fù)12V負(fù)載調(diào)整曲線。
結(jié)論
本文介紹了兩種適用于30 V至400 V寬輸入范圍的雙極性轉(zhuǎn)換器解決方案:一種是隔離型,另一種是非隔離型。LT8315同時適用于這兩種方案,因為它內(nèi)置高壓集成MOSFET和高壓啟動電路,無需光耦合器反饋回路。該器件的其他特性還包括低紋波突發(fā)模式(Burst Mode®)工作、軟啟動、可編程電流限制、欠壓鎖定、溫度補償和低靜態(tài)電流。LT8315的高集成度簡化了多種應(yīng)用領(lǐng)域的高壓輸入和雙極性輸出電路的設(shè)計。
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