LT3575：無(wú)光電耦合器的隔離反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)指南

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，隔離反激式轉(zhuǎn)換器是實(shí)現(xiàn)電源隔離的重要方案。今天我們要深入探討的 Linear Technology LT3575，就是一款專為隔離反激式拓?fù)湓O(shè)計(jì)的單片開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，它無(wú)需光耦合器或變壓器第三繞組就能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，為工程師們提供了一種高效、簡(jiǎn)潔的解決方案。

文件下載：LT3575.pdf

一、LT3575 核心特性

（一）電氣參數(shù)

• 寬輸入電壓范圍：支持 3V 至 40V 的輸入電壓，適用于多種電源場(chǎng)景。
• 集成功率開(kāi)關(guān)：內(nèi)置 2.5A、60V 的 NPN 功率開(kāi)關(guān)，減少了外部元件數(shù)量。
• 邊界模式操作：采用邊界模式控制方法，在連續(xù)導(dǎo)通模式和不連續(xù)導(dǎo)通模式之間的邊界運(yùn)行，提高了負(fù)載調(diào)節(jié)能力，同時(shí)允許使用更小的變壓器。
• 無(wú)需光耦合器或第三繞組：通過(guò)檢測(cè)初級(jí)側(cè)反激脈沖波形獲取隔離輸出電壓信息，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，降低了成本。

（二）其他特性

• 可編程功能：支持可編程軟啟動(dòng)和可編程功率開(kāi)關(guān)電流限制，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的靈活性。
• 熱增強(qiáng)封裝：采用 16 引腳 TSSOP 封裝，具有良好的熱性能。

二、工作原理

（一）輸出電壓檢測(cè)

傳統(tǒng)的隔離反激式電路通常需要光耦合器或額外的變壓器繞組來(lái)將輸出電壓信息傳遞到初級(jí)側(cè)。而 LT3575 通過(guò)檢測(cè)初級(jí)側(cè)反激脈沖波形來(lái)獲取隔離輸出電壓信息，無(wú)需光耦合器或額外的變壓器繞組。當(dāng)輸出開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，其集電極電壓會(huì)上升，產(chǎn)生反激脈沖。這個(gè)反激脈沖的幅度與輸出電壓、二極管正向電壓、變壓器次級(jí)電流以及次級(jí)電路的總阻抗有關(guān)。通過(guò)外部電阻 (R{FB}) 和 (R{REF})，可以將反激脈沖轉(zhuǎn)換為電流，并形成一個(gè)接地參考電壓，該電壓被輸入到反激誤差放大器中。誤差放大器以 1.23V 的帶隙電壓為參考電壓，通過(guò)比較這個(gè)參考電壓和 (R_{REF}) 上的電壓，來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。

（二）邊界模式操作

邊界模式是一種可變頻率、電流模式的開(kāi)關(guān)方案。開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，電感電流增加，直到達(dá)到 (V{C}) 引腳控制的電流限制。當(dāng)次級(jí)電流通過(guò)二極管降至零時(shí)，SW 引腳電壓降至 (V{IN}) 以下，不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）比較器檢測(cè)到這個(gè)事件并重新導(dǎo)通開(kāi)關(guān)。邊界模式使次級(jí)電流在每個(gè)周期都?xì)w零，避免了寄生電阻壓降導(dǎo)致的負(fù)載調(diào)節(jié)誤差，同時(shí)允許使用比連續(xù)導(dǎo)通模式更小的變壓器，且不會(huì)出現(xiàn)次諧波振蕩。在低輸出電流時(shí)，LT3575 會(huì)延遲開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，從而工作在不連續(xù)模式。

三、應(yīng)用信息

（一）誤差放大器理論

1. 偽 DC 理論

通過(guò)外部電阻 (R{REF}) 和 (R{FB}) 來(lái)編程輸出電壓。當(dāng)輸出開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，反激脈沖的幅度與輸出電壓、二極管正向電壓、變壓器次級(jí)電流以及次級(jí)電路的總阻抗有關(guān)。通過(guò) (R{FB}) 和 Q2 將反激電壓轉(zhuǎn)換為電流，該電流幾乎全部流經(jīng) (R{REF}) 形成接地參考電壓，輸入到反激誤差放大器中。誤差放大器以 1.23V 的帶隙電壓為參考電壓，使 (R_{REF}) 上的電壓接近帶隙參考電壓，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。

2. 動(dòng)態(tài)理論

由于反饋環(huán)路的采樣特性，LT3575 的正常運(yùn)行需要滿足一些時(shí)序信號(hào)和其他約束條件。

• 最小電流限制：為了保證采樣電路有足夠的時(shí)間采樣輸出電壓，初級(jí)側(cè)磁化電感必須大于一定值。最小電流限制比電氣特性表中的值高，這是由于比較器延遲導(dǎo)致的過(guò)沖。
• 漏感消隱：當(dāng)輸出開(kāi)關(guān)首次關(guān)閉時(shí)，由于變壓器漏感的存在，會(huì)在初級(jí)側(cè)產(chǎn)生一個(gè)與輸出電壓無(wú)關(guān)的快速電壓尖峰。為了避免這些現(xiàn)象的影響，在開(kāi)關(guān)關(guān)閉命令和采樣開(kāi)始之間引入了 150ns 的固定延遲。
• 選擇 (R{FB}) 和 (R{REF}) 電阻值：可以通過(guò)公式 (R{FB}=frac{R{REF} cdot N{PS}[(V{OUT}+V{F})alpha + V{TC}]}{V{BG}}) 來(lái)計(jì)算 (R{FB}) 的值。通常 (R{REF}) 應(yīng)約為 6.04k，若 (R{REF}) 的阻抗與 6.04k 相差較大，會(huì)產(chǎn)生額外的誤差。

（二）變壓器設(shè)計(jì)考慮

1. 匝數(shù)比選擇

在使用 (R{FB}/R{REF}) 電阻比設(shè)置輸出電壓時(shí)，可以相對(duì)自由地選擇變壓器匝數(shù)比。通常選擇匝數(shù)比以最大化可用輸出功率，但要確保 SW 引腳的電壓不超過(guò)其絕對(duì)最大額定值。對(duì)于低輸出電壓，可使用 N:1 匝數(shù)比以最大化變壓器的電流增益和輸出功率；對(duì)于較低的輸出功率水平，可以選擇 1:1 或 1:N 變壓器以減小變壓器尺寸。

2. 漏感問(wèn)題

變壓器漏感會(huì)在輸出開(kāi)關(guān)關(guān)閉后在初級(jí)側(cè)產(chǎn)生電壓尖峰，需要使用緩沖電路來(lái)避免輸出開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的過(guò)壓擊穿。RCD 鉗位電路是常用的緩沖電路，選擇緩沖網(wǎng)絡(luò)二極管時(shí)要注意 SW 引腳的最大電壓，肖特基二極管通常是最佳選擇。

3. 二次側(cè)漏感影響

二次側(cè)漏感會(huì)形成一個(gè)電感分壓器，有效減小用于反饋的初級(jí)參考反激脈沖的大小，從而增加輸出電壓目標(biāo)?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整 (R{FB}/R{REF}) 電阻比來(lái)補(bǔ)償這種影響。

4. 繞組電阻影響

初級(jí)或次級(jí)的電阻會(huì)降低整體效率，但由于 LT3575 的邊界模式操作，輸出電壓調(diào)節(jié)不受繞組電阻的影響。

5. 雙股繞組

雙股繞組或類似的繞組技術(shù)可以最小化漏感，但會(huì)增加初級(jí)到次級(jí)的電容并限制初級(jí)到次級(jí)的擊穿電壓，因此并非總是實(shí)用。

（三）其他設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 設(shè)置電流限制電阻

通過(guò)在 (R{ILIM}) 引腳和地之間放置一個(gè)電阻來(lái)設(shè)置最大電流限制。如果需要最大電流限制，使用 10k 電阻；對(duì)于較低的電流限制，可以使用公式 (R{ILIM}=65 cdot 10^{3}(3.5A - I_{LIM}) + 10k) 來(lái)計(jì)算電阻值。

2. 欠壓鎖定（UVLO）

SHDN/UVLO 引腳連接到一個(gè)與 (V{IN}) 相連的電阻分壓器。當(dāng) (V{IN}) 上升時(shí)，SHDN/UVLO 引腳的電壓閾值為 1.22V。為了引入遲滯，當(dāng)引腳電壓低于 1.22V 時(shí)，LT3575 會(huì)從 SHDN/UVLO 引腳吸取 2.8μA 的電流。可以通過(guò)連接一個(gè)小 NMOS 到 UVLO 引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)外部運(yùn)行/停止控制。

3. 最小負(fù)載要求

LT3575 通過(guò)變壓器在次級(jí)繞組導(dǎo)通電流時(shí)獲取輸出電壓信息，因此需要有一定的最小負(fù)載。如果預(yù)加載不可接受，可以使用一個(gè)齊納擊穿電壓比輸出電壓高 20% 的齊納二極管作為最小負(fù)載。

4. BIAS 引腳考慮

對(duì)于輸入電壓小于 15V 的應(yīng)用，BIAS 引腳通常直接連接到 (V{IN}) 引腳；對(duì)于輸入電壓大于 15V 的應(yīng)用，建議將 BIAS 引腳與 (V{IN}) 引腳分開(kāi)，此時(shí) BIAS 引腳通過(guò)內(nèi)部 LDO 調(diào)節(jié)到 3V。在一些輸入電壓較高的應(yīng)用中，可以使用第三繞組來(lái)驅(qū)動(dòng) BIAS 引腳，以提高系統(tǒng)效率。

5. 環(huán)路補(bǔ)償

LT3575 使用 (V{C}) 引腳上的外部電阻 - 電容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償。典型值為 (R{C}=50k) 和 (C{C}=1.5nF)。選擇合適的 (R{C}) 和 (C_{C}) 值對(duì)于保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和瞬態(tài)性能至關(guān)重要。

四、設(shè)計(jì)示例

（一）設(shè)計(jì)需求

輸入電壓范圍為 20V 至 28V，輸出為 5V、1A。

（二）設(shè)計(jì)步驟

1. 選擇變壓器匝數(shù)比

根據(jù)開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力 (V{SW(MAX)}=V{IN}+N(V{OUT}+V{F})<50V) 和轉(zhuǎn)換器輸出能力公式，選擇合適的匝數(shù)比。經(jīng)過(guò)計(jì)算，選擇初級(jí):次級(jí):BIAS = 3:1:1 的匝數(shù)比。

2. 選擇變壓器初級(jí)電感

為了保證采樣輸出電壓的時(shí)間，需要滿足最小關(guān)斷時(shí)間 (t_{OFF(MIN)}) 大于 350ns，同時(shí)考慮開(kāi)關(guān)頻率與輸出紋波的關(guān)系。在這個(gè)設(shè)計(jì)示例中，選擇最小初級(jí)電感以實(shí)現(xiàn)滿載時(shí) 200kHz 的標(biāo)稱開(kāi)關(guān)頻率，選用了 Würth Elektronik 的 750311458 作為反激變壓器。

3. 選擇輸出二極管和輸出電容

輸出二極管的電壓應(yīng)力為 (V{D}=V{OUT}+frac{V_{IN}}{N})，平均二極管電流為負(fù)載電流。選擇輸出電容時(shí)要考慮輸出電壓紋波和電容的尺寸、成本。

4. 選擇緩沖電路

使用 RCD 緩沖電路來(lái)鉗位開(kāi)關(guān)電壓尖峰，調(diào)整緩沖電阻使尖峰持續(xù)時(shí)間約為 150ns。

5. 選擇反饋電阻

根據(jù)電阻表選擇反饋電阻 (R{FB})，將輸出電壓編程為 5V，并調(diào)整 (R{TC}) 電阻進(jìn)行輸出電壓的溫度補(bǔ)償。

6. 優(yōu)化補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

通過(guò)調(diào)整補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來(lái)優(yōu)化瞬態(tài)性能，選擇補(bǔ)償電容不小于 1.5nF，補(bǔ)償電阻不大于 50k。

7. 其他元件選擇

使用電流限制電阻 (R_{LIM}) 降低電流限制，選擇軟啟動(dòng)電容幫助反激轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)，選擇 UVLO 電阻分壓器以適應(yīng)預(yù)期的輸入操作范圍。

五、典型應(yīng)用電路

文檔中給出了多個(gè)典型應(yīng)用電路，包括低輸入電壓 5V 隔離反激轉(zhuǎn)換器、±12V 隔離反激轉(zhuǎn)換器、5V 隔離反激轉(zhuǎn)換器、3.3V 隔離反激轉(zhuǎn)換器、12V 隔離反激轉(zhuǎn)換器、四輸出 12V 隔離反激轉(zhuǎn)換器以及 13V 至 30VIN、+5V/ - 5VOUT 隔離反激轉(zhuǎn)換器等。這些電路為工程師們提供了實(shí)際應(yīng)用的參考。

六、相關(guān)部件

文檔還介紹了一些相關(guān)部件，如 LT3574/LT3573、LT3957/LT3958、LT3757/LT3758、LT1737/LT1725、LT3825/LT3837、LTC3803/LTC3803 - 3、LTC3803 - 5、LTC3805/LTC3805 - 5 等，這些部件在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中可能會(huì)有不同的優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)對(duì) LT3575 的詳細(xì)介紹，我們可以看到它在隔離反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)和靈活性。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇變壓器、電阻、電容等元件，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能和穩(wěn)定性。希望這篇博文能為電子工程師們?cè)谑褂?LT3575 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供一些幫助。你在使用 LT3575 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。