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Single IC Can Produce Isolated or Nonisolated ±12 V Outputs from 30 V to 400 V Input 作者：ADI公司 Zhijun (George) Qian，William Xiong 電動(dòng)汽車(chē)、大型儲能電池組、家庭自動(dòng)化、工業(yè)和電信電源都需要將高電壓轉換為±12 V，以滿(mǎn)足為放大器、傳感器、數據轉換器和工業(yè)過(guò)程控制器供電的雙極性電源軌需求。所有這些系統中的挑戰之一是構建一個(gè)緊湊、高效的雙極性穩壓器，它的工作溫度范圍為-40°C至+ 125°C，這在汽車(chē)和其他高環(huán)境溫度應用中尤為重要。 線(xiàn)性穩壓器已廣為人知，并且通常位列雙極性電源備選方案的首位，但它不適用于上述高輸入電壓、低輸出電壓的應用，這主要是由線(xiàn)性穩壓器在高降壓比下的散熱所導致。此外，雙極性解決方案至少需要兩個(gè)集成電路(IC)：一個(gè)正輸出線(xiàn)性穩壓器和一個(gè)負輸出轉換器。更好的解決方案是使用單個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器，該開(kāi)關(guān)穩壓器從較高的輸入產(chǎn)生兩個(gè)輸出，并具有良好的效率和調節性能，同時(shí)還能適用于狹小空間并降低成本。 本文介紹了兩種精簡(jiǎn)電路，它們均使用單個(gè)高電壓LT8315轉換器，可由30V至400V的寬輸入電壓范圍產(chǎn)生±12V輸出。一個(gè)電路是隔離型反激式拓撲，另一個(gè)則是非隔離型降壓拓撲。LT8315本身是一款高電壓?jiǎn)涡酒D換器，內置集成630 V/300 mA MOSFET、控制電路和高電壓?jiǎn)?dòng)電路，采用耐熱增強型20引腳TSSOP封裝。 無(wú)需光耦合器的隔離型雙極性反激式穩壓器 反激式轉換器廣泛用于多輸出應用，以提供電氣隔離、改善安全性并增強抗擾性。輸出可以為正，亦可為負，具體取決于輸出的哪一端接地。傳統上，采用光耦合器將信息從副邊基準電壓源電路傳輸至原邊，以此來(lái)實(shí)現輸出電壓調節。問(wèn)題在于，由于傳播延遲、老化和增益變化等原因，光耦合器會(huì )大大增加復雜性并降低可靠性。通常，連接至IC反饋引腳的輸出在調節回路中占主導地位，而其他輸出則通過(guò)變壓器繞組進(jìn)行松散控制，導致這些輸出的調節性能不良。 LT8315無(wú)需使用光耦合器，它從電源變壓器的第三繞組采樣反激回來(lái)的隔離輸出電壓。此外，它在副邊電流幾乎為零時(shí)亦可檢測到輸出電壓，以實(shí)現出色的負載調整。在雙輸出設計中，這種特殊的檢測方案允許嚴密調節每個(gè)輸出（兩個(gè)輸出都能主導調節）。因此，典型的±5%負載調節非常易于實(shí)現。 圖1所示的LT8315解決方案在準諧振邊界傳導模式下工作。原邊MOSFET具有很低的導通損耗，這是因為當開(kāi)關(guān)節點(diǎn)振鈴達到其谷值時(shí)，MOSFET才導通。副邊沒(méi)有二極管反向恢復損耗。3 kV增強絕緣變壓器是整個(gè)隔離柵上唯一的組件，它可提升系統可靠性并滿(mǎn)足嚴格的高壓電源隔離要求。圖2顯示了不同輸入電壓下的滿(mǎn)載效率曲線(xiàn)。當輸入為70 V且兩個(gè)負載電流均為50 mA時(shí)，該反激式轉換器可實(shí)現85.3%的峰值效率。 圖1顯示了一款具有30 V至400 V寬輸入范圍的反激式轉換器的完整原理圖。它的輸出為±12 V，并可在負載電流為5 mA至50 mA時(shí)保持非常準確的控制。該反激式轉換器的峰值效率為85.3%，如圖2所示。 
圖1.一款用于30 V至400 V寬輸入范圍的完整±12 V/50 mA隔離型反激式轉換器。
圖2.圖1所示反激式轉換器的滿(mǎn)載效率與輸入電壓的關(guān)系。
圖3.使用單個(gè)LT8315 IC的非隔離型雙電感降壓轉換器的原理圖：從30 V至400 V輸入轉換至±12 V輸出（每路30 mA）。 采用單個(gè)IC從30 V至400 V輸入產(chǎn)生隔離或非隔離±12 V輸出 采用雙電感的非隔離型雙極性降壓穩壓器 LT8315具備高電壓輸入能力，只需借助現成的電感，即可以應用于非隔離型解決方案。圖3顯示了一款采用雙電感的降壓穩壓器，僅需幾個(gè)組件。該轉換器可接受的輸入電壓范圍很寬（-30 V至400 V），并能產(chǎn)生±12 V/30 mA的輸出。當輸入為30 V時(shí)，該電路的兩個(gè)輸出均可實(shí)現滿(mǎn)載條件下高達87%的效率。 在這種拓撲中，LT8315的GND焊盤(pán)特意未接地，而是連接作為驅動(dòng)兩個(gè)輸出的公共開(kāi)關(guān)節點(diǎn)。在PCB布局時(shí)，應將LT8315的GND焊盤(pán)尺寸限制在裸露焊盤(pán)面積內，以減少對其他組件的電磁干擾，因為GND走線(xiàn)是該拓撲中噪聲相對較高的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)。二極管D2與FB引腳上的兩個(gè)1%電阻形成反饋路徑，以調節正輸出電壓。每當MOSFET導通時(shí)，為防止FB引腳放電，D2必不可少。電阻分壓器無(wú)需考慮D2的正向壓降，因為D2和D3的正向電壓相等并且可以互相抵消；因此，反饋網(wǎng)絡(luò )會(huì )跟蹤并嚴密調節正輸出電壓。 負軌包括低電壓耦合電容CFLY、第二電感L2、環(huán)流二極管D4和負輸出電容CO2。根據CO1-L1-CFLY-L2電路回路的電感伏秒平衡，L1和L2兩端的平均電壓為零，因此耦合電容CFLY的電壓等于正輸出電壓。CFLY在MOSFET導通期間為L(cháng)2充電，而D4在MOSFET關(guān)斷期間為L(cháng)2提供放電路徑。負輸出電壓基于CFLY電壓（保持恒定并等于正輸出電壓）間接調節。如圖4的調節曲線(xiàn)所示，當正輸出電壓負載為滿(mǎn)載30 mA時(shí)，對于不同的輸入電壓，負輸出電壓在3 mA至30 mA的負載范圍內保持±5%的調節率。
圖4.圖3所示雙電感降壓轉換器在各種輸入電壓下的負12V負載調整曲線(xiàn)。 結論 本文介紹了兩種適用于30 V至400 V寬輸入范圍的雙極性轉換器解決方案：一種是隔離型，另一種是非隔離型。LT8315同時(shí)適用于這兩種方案，因為它內置高壓集成MOSFET和高壓?jiǎn)?dòng)電路，無(wú)需光耦合器反饋回路。該器件的其他特性還包括低紋波突發(fā)模式(Burst Mode)工作、軟啟動(dòng)、可編程電流限制、欠壓鎖定、溫度補償和低靜態(tài)電流。LT8315的高集成度簡(jiǎn)化了多種應用領(lǐng)域的高壓輸入和雙極性輸出電路的設計。 作者簡(jiǎn)介 Zhijun (George) Qian是ADI公司高級工程師。他負責各種非隔離和隔離轉換器的電源產(chǎn)品應用。他擁有浙江大學(xué)電力電子學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位以及中佛羅里達大學(xué)電力電子博士學(xué)位。他于2010年加入凌力爾特（現在已成為ADI的一部分）。聯(lián)系方式：george.qian@analog.com。 作者簡(jiǎn)介 William Xiong于2017年畢業(yè)于加州理工大學(xué)（圣路易斯-奧比斯波），獲電氣工程學(xué)士學(xué)位。他于2017年7月開(kāi)始在A(yíng)DI公司擔任應用工程師，負責降壓、升壓和隔離型拓撲（例如反激式和正激式轉換器）。聯(lián)系方式：william.xiong@analog.com。 |
