Изолированному обратноходовому преобразователю с входным напряжением 560 В не нужны оптроны

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2017

George Qian, Linear Technology

Design Note 559

Введение

В обычных высоковольтных изолированных обратноходовых преобразователях точное регулирование выходного напряжения выполняется с использованием оптоизоляторов, передающих сигналы обратной связи с вторичной стороны схемы на первичную. Проблема состоит в том, что задержка распространения, старение и изменение усиления оптронов значительно усложняют частотную компенсацию петли обратной связи и могут стать причиной снижения надежности устройства. Кроме того, для питания микросхемы в первый момент времени после включения требуются либо высоковольтная схема запуска, либо резистор предварительной нагрузки. А если в схему не добавить дополнительный высоковольтный MOSFET, этот резистор будет источником нежелательных потерь мощности.

Микросхема LT8315 представляет собой высоковольтный обратноходовой преобразователь с внутренним ключом 630 В/300 мА. LT8315 не требует использования оптоизоляторов, сложных опорных схем на вторичной стороне, элементов запуска и внешнего высоковольтного MOSFET.

Простота и совершенство характеристик

В 20-выводном корпусе TSSOP микросхемы LT8315, четыре вывода в котором удалены для увеличения высоковольтного изолирующего промежутка, интегрированы 630-вольтовый MOSFET и схема управления. Получая сигнал обратной связи с третьей обмотки трансформатора, микросхема не нуждается в оптоизоляторе. Выходное напряжение задается двумя внешними резисторами и необязательным третьим резистором температурной компенсации. Работа в режиме критической проводимости позволяет достичь отличной стабильности выходного напряжения по нагрузке. Поскольку измерение выходного напряжения происходит в те моменты, когда ток вторичной стороны почти равен нулю, какие-либо внешние резисторы или конденсаторы компенсации не требуются. В результате решения на микросхеме LT8315 содержат небольшое количество компонентов, существенно упрощая конструирование изолированных обратноходовых преобразователей.

Рисунок 1.	Полная схема 12-вольтового изолированного обратноходового преобразователя для широкого диапазона входных напряжений от 20 В до 450 В.

На Рисунке 1 показана полная схема обратноходового преобразователя с широким диапазоном входных напряжений от 20 В до 450 В. Схема с высокой точностью стабилизирует выходное напряжение 12 В, а ток нагрузки может меняться от 5 мА до значений, превышающих 440 мА. Максимальный выходной ток увеличивается с ростом входного напряжения и может достигать 440 мА, когда входное напряжение превысит 250 В. КПД этого обратноходового преобразователя равен 85%. Несмотря на отсутствие оптоизолятора, качество стабилизации, как по нагрузке, так и по входному напряжению, остается высоким (Рисунок 2).

Рисунок 2.	Зависимости выходного напряжения от тока нагрузки для разных входных напряжений.

Внутренний MOSFET в режиме обеднения для запуска схемы

В микросхеме LT8315 имеется внутренний нормально открытый MOSFET, работающий в режиме обеднения с отрицательным напряжением порога. При включении схемы этот MOSFET до 12 В заряжает подключенный к выводу INTV_CC конденсатор, тем самым обеспечивая LT8315 питанием для начала работы генератора. В результате отпадает необходимость во внешнем резисторе предварительной нагрузки или других компонентах поддержки запуска. Когда заряд конденсатора на входе INTV_CC заканчивается, для снижения рассеиваемой мощности MOSFET с обедненным каналом выключается.

Низкий ток потребления

Обычно для LT8315 требуется небольшая предварительная нагрузке выхода, которая со стороны входа воспринимается как дополнительный ток, потребляемый микросхемой. При очень легких нагрузках LT8315 снижает частоту переключения, сохраняя при этом ток на минимальном уровне, достаточном для правильного измерения выходного напряжения. Типичное минимальное значение частоты переключения составляет примерно 3.5 кГц. При включении режима ожидания происходит дальнейшее снижение минимальной частоты в 16 раз до 220 Гц, и собственный ток потребления уменьшается до ультранизких значений.

Обычно в режиме ожидания на предварительную нагрузку расходуется менее 0.1% от полной выходной мощности, а ток потребления остается ниже 100 мкА, что весьма важно для обеспечения высокого КПД постоянно включенных систем.

Неизолированный понижающий преобразователь

Благодаря способности LT8315 работать при высоком входном напряжении, микросхему очень легко использовать в неизолированных решениях. В отличие от изолированных, неизолированным преобразователям не нужны трансформаторы, вместо которых в качестве индуктивного компонента используются сравнительно недорогие стандартные дроссели.

При построении неизолированных понижающих преобразователей вывод земли LT8315 подключается к узлу коммутации с меняющимся напряжением. Уникальная схема измеряет выходное напряжение только в те моменты, когда узел коммутации подключен к земле, что упрощает конструкцию понижающего преобразователя (Рисунок 3). Диод D2 и два резистора на входе FB образуют цепь обратной связи.

Рисунок 3.	Схема неизолированного понижающего преобразователя: входное напряжение 20 В … 560 В, выходное напряжение 12 В при токе нагрузки 120 мА.

Показанная на Рисунке 3 схема неизолированного понижающего преобразователя обеспечивает нагрузку стабилизированным выходным напряжением 12 В при очень широком диапазоне входных напряжений от 20 В до 560 В. КПД схемы может достигать 85%.

Заключение

LT8315 работает в широком диапазоне напряжений от 18 В до 560 В, отдавая на изолированном выходе мощность до 15 Вт. Не нуждающаяся в оптоизоляторе микросхема имеет низкий ток потребления и реализует множество функций, среди которых режим генерации пачек (Burst Mode) с низким уровнем пульсаций, мягкий запуск, программируемый порог ограничения тока, блокировка при недостаточном входном напряжении и температурная компенсация прямого напряжения выходного диода.

Высокий уровень интеграции упрощает разработку эффективных и простых решений в широком диапазоне приложений – от приборов с батарейным питанием до источников питания автомобильных, промышленных, медицинских и телекоммуникационных устройств, а также изолированных вспомогательных систем электропитания, в частности, бытового назначения.

Материалы по теме