LT3710：隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的高效輔助輸出解決方案

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)中，隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)是一個(gè)常見且具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。特別是在需要多個(gè)輸出的情況下，如何高效、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)輔助輸出是關(guān)鍵。今天，我們就來(lái)深入探討一下Linear Technology的LT3710，一款專門為隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器輔助輸出設(shè)計(jì)的高性能同步后級(jí)調(diào)節(jié)器。

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一、LT3710的特性亮點(diǎn)

1. 高效輔助輸出生成

LT3710能夠在隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器中生成穩(wěn)定的輔助輸出，采用雙N溝道MOSFET同步驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了高效率的功率轉(zhuǎn)換。其高精度的0.8V ±1.5%電壓基準(zhǔn)，為輸出電壓的穩(wěn)定提供了堅(jiān)實(shí)保障。

2. 靈活的可編程特性

具備可編程電流限制保護(hù)和軟啟動(dòng)功能。可編程電流限制可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求設(shè)置最大輸出電流，保護(hù)電路免受過(guò)載損壞；可編程軟啟動(dòng)則能有效降低啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，提高系統(tǒng)的可靠性。

3. 高開關(guān)頻率與同步功能

支持高達(dá)500kHz的高開關(guān)頻率，有助于減小外部電感和電容的尺寸，從而降低系統(tǒng)成本和體積。同時(shí)，它還具備自動(dòng)頻率同步功能，可與變壓器次級(jí)繞組的下降沿同步，適用于單端和雙端隔離式電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹?/p>

4. 緊湊的封裝設(shè)計(jì)

采用16引腳熱增強(qiáng)型TSSOP封裝，不僅節(jié)省了電路板空間，還能有效散熱，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

二、應(yīng)用場(chǎng)景廣泛

1. 48V隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器

在通信、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域，48V隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用廣泛。LT3710可以為其提供穩(wěn)定的輔助輸出，滿足系統(tǒng)中不同模塊的供電需求。

2. 多輸出電源

對(duì)于需要多個(gè)輸出電壓的電源系統(tǒng)，LT3710可以通過(guò)并行處理輸出功率，直接調(diào)節(jié)輔助輸出，避免了使用多個(gè)次級(jí)繞組或級(jí)聯(lián)調(diào)節(jié)器帶來(lái)的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)效率和性能。

3. 離線式轉(zhuǎn)換器

在離線式電源設(shè)計(jì)中，LT3710同樣能夠發(fā)揮重要作用，為系統(tǒng)提供高效、穩(wěn)定的輔助電源。

三、工作原理剖析

1. 基本功能模塊

從框圖可以看出，LT3710主要包括電壓放大器（VA）、電壓模式PWM、電流限制放大器（CA1）和高速同步開關(guān)驅(qū)動(dòng)器等基本功能模塊。電壓放大器用于將輸出電壓調(diào)節(jié)在典型的1.5%以內(nèi)；電壓模式PWM采用后沿同步和前沿調(diào)制方式；電流限制放大器則用于限制輸出電流，保護(hù)電路安全。

2. 工作過(guò)程

在正常工作時(shí)，開關(guān)周期從變壓器次級(jí)電壓(VS)的下降沿開始。內(nèi)部振蕩器復(fù)位，頂部MOSFET M1關(guān)閉，底部MOSFET M2開啟，電感電流由輸出電壓(V{OUT2})放電。當(dāng)斜坡信號(hào)與反饋誤差放大器輸出(VAOUT)相交時(shí)，頂部MOSFET M1開啟，電感電流由(VS - V{OUT2})充電。當(dāng)次級(jí)電壓變?yōu)榱銜r(shí)，降壓電路的有效導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束，下一個(gè)周期重復(fù)。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)與注意事項(xiàng)

1. 同步與振蕩頻率設(shè)置

為了實(shí)現(xiàn)正確的同步，振蕩器頻率(f{OSC})應(yīng)設(shè)置為低于系統(tǒng)開關(guān)頻率，并考慮一定的公差。計(jì)算公式為(f{OSC} < (f{SL} cdot 0.8))，其中(f{SL})是系統(tǒng)開關(guān)頻率的下限。確定(f{OSC})后，可以通過(guò)(CSET = (107250 pf / f{OSC(kHz)}) - 50 pF)計(jì)算CSET電容的值。

2. 輸出N溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)器

LT3710采用高速N溝道MOSFET同步驅(qū)動(dòng)器，GBIAS為8V調(diào)節(jié)器輸出，用于偏置和供電驅(qū)動(dòng)器，需要使用低ESR電容進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐月贰ｉ_關(guān)節(jié)點(diǎn)需要使用肖特基鉗位二極管。

3. 輕載運(yùn)行

如果BGS引腳接地，LT3710除了在軟啟動(dòng)操作外，將獨(dú)立于負(fù)載條件保持連續(xù)模式。如果BGS引腳懸空，在輕載且(V_{RS1})下降到8mV以下時(shí)，BGATE將關(guān)閉，LT3710進(jìn)入不連續(xù)模式運(yùn)行，提高輕載效率。

4. 電流限制

電流限制由跨(CL^{+})和(CL^{-})的70mV閾值設(shè)置，通過(guò)連接外部電阻RS1，可以將電流限制設(shè)置為(70 mV / R_{S1})。如果不使用電流限制功能，應(yīng)將(CL^{+})和(CL^{-})接地，并將BGS引腳接地以禁用比較器CA2。

5. 軟啟動(dòng)與關(guān)機(jī)

在軟啟動(dòng)期間，VSS作為參考電壓控制輸出電壓，輸出電壓跟隨(V{SS})上升。輸出達(dá)到編程水平的典型時(shí)間為((C cdot 0.8V) / 10μA)。啟動(dòng)時(shí)，BGATE將保持關(guān)閉，直到(V{SS})達(dá)到1.6V，防止底部MOSFET在輸出預(yù)充電時(shí)開啟。關(guān)機(jī)時(shí)，應(yīng)通過(guò)VN2222型N溝道晶體管將SS引腳拉至50mV以下。

6. 布局考慮

為了實(shí)現(xiàn)最大效率，開關(guān)的上升和下降時(shí)間應(yīng)小于20ns。為了防止輻射，功率MOSFET、SW引腳和輸入旁路電容的引線應(yīng)盡可能短。在開關(guān)電路下方使用接地平面，以防止層間耦合并作為熱擴(kuò)散路徑。注意，封裝的底部金屬既是散熱器又是IC信號(hào)接地，必須焊接到接地平面上。

7. 輸出電壓編程

反饋參考電壓為0.8V，通過(guò)電阻分壓器R3和R4可以輕松編程輸出電壓，計(jì)算公式為(V_{OUT2} = 0.8 cdot (1 + frac{R3}{R4}))。

8. SYNC輸入濾波

在LT3710的SYNC輸入上添加RC濾波是必要的，以消除頂部MOSFET開啟時(shí)的負(fù)毛刺。典型的濾波電路參數(shù)為(R{S} = 10 k)和(C{S} = 10 pF)。

9. 輸出電感選擇

選擇電感時(shí)，關(guān)鍵參數(shù)包括電感值、RMS和飽和電流額定值以及DCR。電感值應(yīng)選擇為實(shí)現(xiàn)合理的紋波電流，通常設(shè)計(jì)電感紋波電流為最大輸出電流的20% - 40%。RMS電流額定值應(yīng)足夠高以提供最大輸出電流，飽和電流額定值應(yīng)防止電感磁芯飽和。為了優(yōu)化效率，在電感值和電流額定值相同的情況下，通常選擇DCR最小的電感。

10. 功率MOSFET選擇

LT3710驅(qū)動(dòng)兩個(gè)外部N溝道MOSFET以實(shí)現(xiàn)高效的大電流輸出。選擇MOSFET時(shí)，關(guān)鍵參數(shù)包括漏源電壓額定值(V{DSS})和6.5V柵極驅(qū)動(dòng)下的(R{DS(ON)})。由于變壓器次級(jí)電壓波形在上升沿會(huì)因變壓器漏電感和寄生電容之間的振鈴而出現(xiàn)過(guò)沖，因此頂部和底部MOSFET的(V{DSS})必須足夠高于最大過(guò)沖。建議在變壓器次級(jí)繞組兩端放置RC緩沖器或電壓鉗位電路以限制(V{S})過(guò)沖。同時(shí)，應(yīng)選擇(R{DS(ON)})合適且柵極電荷(Q{G})最小的MOSFET以降低功率損耗。

11. 輸出電容選擇

輸出電容的選擇取決于輸出紋波和負(fù)載瞬態(tài)要求。在低輸出電壓應(yīng)用中，應(yīng)始終選擇低ESR的電容。輸出紋波電壓近似計(jì)算公式為(Delta V{OUT} approx Delta I{L}(ESR + frac{1}{8 fC{OUT}}))，其中(Delta I{L})是電感峰 - 峰紋波電流。

五、設(shè)計(jì)實(shí)例分析

圖3展示了一個(gè)LT3710的應(yīng)用實(shí)例，這是一個(gè)雙輸出、高效率、隔離式DC/DC電源，輸入電壓為36V - 72V，輸出為3.3V/10A和1.8V/10A（或2.5V/10A）。該電源采用2晶體管正激轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，并具?a target="_blank">同步整流功能。初級(jí)側(cè)控制器使用LT3781，次級(jí)側(cè)使用LTC1698提供3.3V輸出的電壓反饋和同步MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)。1.8V輸出由LT3710電路生成。該設(shè)計(jì)采用了Pulse Engineering的平面變壓器PA0191，開關(guān)頻率約為230kHz，并提供1500V的輸入 - 輸出隔離。此外，該設(shè)計(jì)還具備初級(jí)側(cè)開/關(guān)控制、3.3V輸出±5%的次級(jí)側(cè)微調(diào)、輸入過(guò)壓保護(hù)和欠壓鎖定等功能。

六、總結(jié)

LT3710作為一款高性能的次級(jí)側(cè)同步后級(jí)調(diào)節(jié)器，為隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的輔助輸出設(shè)計(jì)提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。它具有高效、靈活、緊湊等諸多優(yōu)點(diǎn)，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要根據(jù)具體需求合理設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，選擇合適的外部元件，并注意布局和濾波等問(wèn)題，以確保系統(tǒng)的性能和可靠性。希望本文對(duì)廣大電子工程師在使用LT3710進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)有所幫助。大家在實(shí)際設(shè)計(jì)中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。