Микромощный изолированный обратноходовой преобразователь с диапазоном входных напряжений от 6 В до 100 В

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2014

Zhongming Ye, Linear Technology

Design Note 509

Введение

Обратноходовые DC/DC преобразователи широко используются в изолированных приложениях благодаря относительной простоте и невысокой стоимости по сравнению с альтернативными изолированными топологиями. Тем не менее, разработать традиционный обратноходовой преобразователь не очень легко из-за того, что трансформатор требует тщательного расчета и аккуратного изготовления, а обеспечение устойчивости схемы осложняется хорошо известным всем разработчикам нулем в правой полуплоскости и задержкой распространения в оптоизоляторе.

Linear Technology выпускает целый ряд обратноходовых преобразователей, существенно упрощающих задачу разработчиков, поскольку сигнал обратной связи снимается с первичной обмотки трансформатора во время обратного хода, и, соответственно, отпадает необходимость в использовании оптоизоляторов. Это такие микросхемы, работающие в режиме критической проводимости, как LT3573, LT3574, LT3575, LT3511 и LT3512.

Высоковольтный монолитный изолированный обратноходовой преобразователь LT8300 содержит силовой ключ на 150-вольтовом DMOS транзисторе, переключающем ток до 260 мА, цепи внутренней компенсации и конденсатор мягкого запуска. LT8300 работает при входных напряжениях от 6 В до 100 В, отдавая в нагрузку мощность до 2 Вт, и нуждается всего лишь в пяти внешних компонентах.

LT8300 работает в режиме критической проводимости, а режим генерации пачек (Burst Mode) обеспечивает низкий уровень пульсаций, позволяя из небольшого количества компонентов создавать преобразователи с высоким КПД и минимальными потерями мощности в режиме покоя.

Простой и точный способ измерения выходного напряжения

Рисунок 1.	Полная схема обратноходового преобразователя 5 В с входным напряжением 22 … 75 В.

Преобразователям, в которых используются LT8300, не нужны оптоизоляторы, так как источником информации о величине выходного напряжения служит напряжение на первичной обмотке, измеряемое сразу после выключения силового ключа микросхемы, то есть в момент, когда ток через диод спадает до нуля. Благодаря этому существенно повышается качество регулирования, поскольку на данном отрезке времени падение напряжения на вторичной обмотке трансформатора и на любой дорожке печатной платы равно нулю. Это позволяет обратноходовому преобразователю на основе LT8300 при комнатной температуре стабилизировать напряжение нагрузки с типовой точностью ±1%. На Рисунках 1 и 2 изображены принципиальная схема и нагрузочная характеристика обратноходового преобразователя с выходным напряжением 5 В.

Рисунок 2.	Нагрузочная характеристика схемы, изображенной на Рисунке 1.

Компактное решение с небольшим количеством компонентов

В 5-выводном корпусе TSOT-23 микросхемы LT8300 интегрирован 150-вольтовый силовой DMOS ключ с максимальным током 260 мА, а также все высоковольтные цепи и логика управления. Изолированное выходное напряжение устанавливается с помощью единственного внешнего резистора, причем цепи частотной коррекции и управления плавным включением интегрированы в микросхему. Режим генерации пачек при малых токах нагрузки обеспечивает высокую эффективность и низкий уровень пульсаций.

Преобразователь включает внутренний ключ немедленно после того, как ток включенного в цепь вторичной обмотки диода уменьшается до нуля, и выключает его, когда коммутируемый ток достигает установленного порога ограничения. В результате полностью исключаются потери на обратное восстановление диода.

Более того, поскольку ключ включается при нулевом токе, минимизированы и потери переключения. Благодаря снижению коммутационных потерь преобразователь может работать на сравнительно высоких рабочих частотах, что, в свою очередь, позволяет использовать более миниатюрные трансформаторы, чем требуются для традиционных схем. По сравнению со схемами, в которых применяются другие решения, устройства, основанные на LT8300, получаются намного компактнее.

Рисунок 3.	Демонстрационная плата преобразователя напряжения 22 … 75 В в напряжение 5 В/0.3 А (См. Рисунок 1).

На Рисунке 3 показана фотография стандартной демонстрационной платы DC1825A, предназначенной для изучения изолированных обратноходовых преобразователей. На плате установлен трансформатор с сердечником EP7. Для построения полноценной схемы достаточно шести основных компонентов. Это входной и выходной конденсаторы (C2, C3), выходной диод (D1), резистор обратной связи (R3), трансформатор (T1) и микросхема LT8300. Для обратноходового преобразователя, построенного по традиционной схеме, потребовалось бы, как минимум, одиннадцать дополнительных компонентов, плюс сложные схемы запуска и смещения, как на первичной, так и на вторичной стороне.

Низкий ток покоя, минимальная энергия запуска и высокий КПД

По мере снижения тока нагрузки LT8300 уменьшает частоту переключения до тех пор, пока ток не достигнет заданной нижней границы, после чего переходит в режим прерывистой проводимости.

LT8300 отличаются высокой точностью установки порога ограничения тока, даже вблизи минимальных значений, и очень небольшой задержкой распространения. При самых легких нагрузках преобразователь переходит в режим генерации пачек, когда микросхема периодически переключается между активным и спящим режимами. Типовое потребление тока равно 70 мкА в спящем режиме и 330 мкА в режиме переключения.

Рисунок 4.	Обратноходовой преобразователь (6…12 В/ 24 В, 20 мА), оптимизированный для минимального тока покоя.

Типичное значение низшей частоты переключения равно примерно 7.5 кГц, при этом схеме требуется минимальный ток запуска, типовое значение которого составляет всего 0.5% от максимальной нагрузки. По этой причине потери мощности в состоянии ожидания LT8300 очень малы, что крайне важно для приложений, работающих в режиме постоянного включения. На Рисунке 4 показано схемное решение, позволяющее из входного напряжения от 6 В до 12 В получить 24 В. Пиковый КПД этой схемы достигает 87% и остается на высоком уровне порядка 84% при токе нагрузки 20 мА (Рисунок 5).

Рисунок 5.	Зависимость КПД от тока нагрузки для преобразователя, изображенного на Рисунке 4.

Заключение

LT8300 – простой в использовании обратноходовой преобразователь с богатым набором уникальных функций, интегрированных в миниатюрный 5-выводной корпус TSOT-23. Прибор способен работать в широком диапазоне входных напряжений от 6 до 100 В, потребляет очень незначительный ток в выключенном состоянии и расходует минимальную мощность в режиме ожидания. Режим критической проводимости снижает потери переключения, уменьшает габариты преобразователя, упрощает конструкцию системы и обеспечивает превосходное качество стабилизации напряжения нагрузки. Микросхема содержит внутреннюю цепь плавного включения, точную схему ограничения тока, схему блокировки при недостаточном входном напряжении и встроенные элементы частотной коррекции.

LT8300 идеально подходит для широкого круга приложений, от устройств с батарейным питанием до источников питания для автомобильного, промышленного, медицинского и телекоммуникационного оборудования. Благодаря высокому уровню интеграции, основанные на LT8300 маломощные обратноходовые преобразователи получаются простыми и содержат небольшое количество компонентов.