Расширение диапазона напряжений питания 600-вольтового обратноходового преобразователя

Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2020

Yuchen Yang, William Xiong, Analog Devices

Design Note

Введение

В традиционных изолированных высоковольтных обратноходовых преобразователях точная стабилизация выхода осуществляется с помощью оптопар, передающих информацию обратной связи от опорной цепи вторичной стороны на первичную сторону. Проблема заключается в том, что задержка распространения, старение и разброс усиления оптопар значительно усложняют частотную компенсацию петли обратной связи источника питания и могут снизить его надежность. Кроме того, для запуска схемы необходим резистор предварительной нагрузки или высоковольтная пусковая цепь, чтобы в начальный момент обеспечить микросхему питанием. Если к пусковым компонентам не добавить дополнительный высоковольтный MOSFET, резистор будет источником нежелательных потерь мощности.

LT8316 – это микромощный высоковольтный обратноходовой контроллер, не требующий оптической развязки, сложной опорной схемы на вторичной стороне или дополнительных компонентов запуска.

Расширение диапазона напряжений питания

LT8316 выпускается в 20-выводном корпусе со сниженным тепловым сопротивлением, четыре вывода которого удалены для создания высоковольтного промежутка. При использовании третьей обмотки для измерения изолированного выходного напряжения оптрон в цепи обратной связи не требуется. Выходное напряжение программируется двумя внешними резисторами и третьим, необязательным, резистором температурной компенсации. Работа в квазирезонансном режиме критической проводимости помогает достичь отличного качества стабилизации по току нагрузки, уменьшить размеры трансформатора и минимизировать коммутационные потери, особенно при высоких входных напряжениях. Поскольку выходное напряжение измеряется в те моменты, когда ток вторичной обмотки практически равен нулю, какие-либо внешние резисторы и конденсаторы для компенсации нагрузки не нужны. В результате решение на LT8316 отличается небольшим числом компонентов, что значительно упрощает конструкцию изолированного обратноходового преобразователя (см. Рисунок 1).

Рисунок 1.	Законченный 12-вольтовый обратноходовой преобразователь для широкого диапазона входных напряжений от 20 В до 800 В с минимальным напряжением запуска 260 В.

Максимально допустимое напряжение на выводе V_IN микросхемы LT8316 составляет 600 В, но его можно увеличить, включив стабилитрон последовательно с выводом V_IN. Падение напряжения на стабилитроне снижает напряжение, подаваемое на микросхему, позволяя напряжению питания превышать 600 В.

На Рисунке 1 изображена полная схема обратноходового преобразователя с диапазоном входных напряжений от 18 В до 800 В. Рекомендации по выбору компонентов подробно описаны в техническом описании LT8316. Из-за 220-вольтового стабилитрона, включенного последовательно с выводом V_IN, минимальное напряжение питания, необходимое для запуска схемы, с поправкой на разброс напряжения стабилизации составляет 260 В. Заметим, что после запуска LT8316 будет нормально работать и при напряжениях ниже 260 В.

Рисунок 2.	Зависимость КПД обратноходового преобразователя на Рисунке 1 от тока нагрузки.

На Рисунке 2 показана зависимость КПД от тока нагрузки при различных входных напряжениях, из которой видно, что пиковый КПД обратноходового преобразователя достигает 91%. Даже без оптоизолятора, стабилизация по току нагрузки при различных входных напряжениях остается высокой, что подтверждается Рисунком 3.

Рисунок 3.	Зависимость нестабильности выходного напряжения по нагрузке и входу от выходного тока для обратноходового преобразователя на Рисунке 1.

Схема с низким напряжением запуска

Предыдущее решение поднимает верхнюю границу входных напряжений до 800 В, но из-за дополнительного стабилитрона минимальное напряжение запуска схемы увеличивается до 260 В. Проблема заключается в том, что в некоторых приложениях требуется как высокое входное напряжение, так и низкое напряжение запуска.

Рисунок 4.	Схема обратноходового преобразователя напряжения от 20 В до 800 В в 12 В с низким напряжением запуска.

Альтернативное решение с максимальным входным напряжением 800 В показано на Рисунке 4. В схеме используются стабилитрон и транзистор, образующие регулятор напряжения. Входное напряжение может безопасно доходить до 800 В при напряжении вывода V_IN, стабилизированном на уровне порядка 560 В. Преимущество этой схемы состоит в том, что она позволяет LT8316 запускаться при более низком напряжении питания.

Неизолированный понижающий преобразователь

Способность LT8316 выдерживать высокие напряжения легко использовать в простом неизолированном понижающем преобразователе, где не требуется изолирующий трансформатор. В качестве магнитного компонента выбран сравнительно недорогой доступный дроссель.

Рисунок 5.	Схема неизолированного понижающего преобразователя с напряжением питания до 800 В.

Для неизолированного понижающего преобразователя вывод земли LT8316 подключается к коммутационному узлу с изменяющимся напряжением. Уникальная измерительная схема LT8316 воспринимает выходное напряжение только тогда, когда коммутационный узел подключен к земле, что значительно упрощает схему понижающего преобразователя.

Рисунок 6.	Зависимость КПД понижающего преобразователя на Рисунке 5 от тока нагрузки.

Как и в случае обратноходового преобразователя, входное напряжение понижающего преобразователя может быть увеличено. На Рисунке 5 дана схема понижающего преобразователя с входным напряжением до 800 В. Между шиной питания и выводом V_IN включен стабилитрон с напряжением стабилизации 220 В. С учетом разброса напряжения стабилизации стабилитрона минимальное напряжение питания, необходимое для гарантированного запуска схемы, составляет 260 В. После запуска LT8316 может нормально продолжать работать при более низком напряжении. Как видно из Рисунка 6, на котором показана зависимость КПД понижающего преобразователя от тока нагрузки при различных входных напряжениях, пиковый КПД достигает 91%. Нестабильности выходного напряжения по нагрузке и входу иллюстрируется Рисунком 7.

Рисунок 7.	Зависимость нестабильности выходного напряжения по нагрузке и входу от выходного тока для понижающего преобразователя на Рисунке 5.

Так же, как и в схеме обратноходового преобразователя на Рисунке 4, между шиной питания и выводом V_IN можно добавить регулятор напряжения, чтобы обеспечить низкое напряжение запуска понижающего преобразователя. Следует отметить, что между выводами GND и V_IN имеется паразитный диод, который повышает эмиттерное напряжение транзистора и является причиной пробоя перехода база-эмиттер. Поэтому для защиты транзистора добавлены два диода. Решение с низким напряжением запуска показано на Рисунке 8.

Рисунок 8.	Схема неизолированного понижающего преобразователя с входным напряжением 800 В и низким напряжением запуска.

Заключение

LT8316 работает в квазирезонансном режиме критической проводимости и, не требуя оптоизолятора, обеспечивает отличное качество стабилизации. Микросхема потребляет небольшой ток и поддерживает богатый набор функций, таких как прерывистый режим синхронизации с низким уровнем пульсаций, мягкий запуск, программируемый порог ограничения тока, блокировка при пониженном напряжении и температурная компенсация. Высокий уровень интеграции позволяет сократить количество компонентов в проекте и создавать высокоэффективные решения для широкого спектра приложений, от систем с батарейным питанием до автомобильных, промышленных, медицинских и телекоммуникационных источников питания.

Материалы по теме