將600 V輸入、非光耦合器隔離反馳式控制器的電源電壓擴展至800 V以上

作者: ADI高級應用工程師Yuchen Yang 及應用工程師William Xiong


簡介

傳統的高壓隔離反馳式轉換器是利用光耦合器將穩壓資訊從次級側基準電源電路傳輸到初級側,並由此來實現準確穩壓。問題在於,光耦合器會大幅增加隔離設計的複雜性,包括存在傳播延遲、老化和增益變化等,而所有這些情況都會使電源迴路補償變得複雜,且會降低可靠性。此外,在啟動過程中,需要採用泄放電阻或高壓啟動電路來初始啟動IC。除非在啟動元件中額外添加一個高壓MOSFET,否則泄放電阻將消耗大量電源。

LT8316 為一款微功率、高壓反馳式控制器,其不需要光耦合器、複雜的次級側基準電源電路或附加的啟動元件。

擴展電源電壓

LT8316採用散熱增強型20接腳TSSOP封裝,去除了4個接腳,以顯示高壓間隔。透過對第三繞組的隔離輸出電壓採樣,無需採用光耦合器來進行穩壓。輸出電壓透過兩個外部電阻和第三個可選溫度補償電阻進行編程。准諧振邊界模式操作有助於實現出色的負載調整、小變壓器尺寸和低開關損耗,特別是在高輸入電壓下。由於輸出電壓是在次級側電流幾乎為零時檢測,所以無需採用外部負載補償電阻和電容。因此,LT8316解決方案採用的元件數量較少,大幅簡化了隔離反馳式轉換器的設計(參見圖1)。

圖1.完整的12 V隔離反馳式轉換器,適用於20 V至800 V廣泛輸出,最小啟動電壓為260 V。

LT8316的額定工作電壓最大為600 V,但可以透過更換與VIN引腳串聯的齊納二極體來進行擴展。齊納二極體的電壓會降低供給晶片的電壓,使得電源電壓超過600 V。

圖1所示為輸入電壓為18 V至800 V的反馳式轉換器的整個原理圖。如需查看詳細的元件選擇指南,請參考LT8316產品資料手冊。220 V齊納二極體與VIN針腳串聯時,最小啟動電壓為260 V,鑒於齊納二極體存在電壓容差,這個值可能存在微小差異。注意,在啟動後,LT8316一般以低於260 V的電源電壓工作。

圖2顯示了不同輸入電壓下的效率,反馳式轉換器的峰值效率達到91%。即使沒有光耦合器,不同輸入電壓下的負載調整仍然保持準確,具體如圖3所示。

圖2.圖1中反馳式轉換器的效率。

圖3.圖1中反馳式轉換器的負載和電壓調整率。

低啟動電壓設計

之前的解決方案雖然將輸入電壓擴展到800 V,但齊納二極體將最小啟動電壓提高到了260 V。這個挑戰在於,有些應用既需要高輸入電壓,也需要低啟動電壓。

圖4所示為備選的800 V最大輸入電壓解決方案。這個電路使用齊納二極體和一個二極體來構成電壓穩壓器。輸入電壓可以穩定增加至800 V,而VIN針腳的電壓穩定保持在560 V左右。這個電路的優點,在於它允許LT8316以更低的電源電壓啟動。

圖4.隔離反馳式轉換器的原理圖:20 V至800 V輸入轉換至12 V,啟動電壓低。

非隔離降壓轉換器

LT8316的高壓輸入功能在簡單的非隔離降壓轉換器中可以輕鬆實現,且無需採用隔離式變壓器。其採用價格相對便宜的現成電感作為電磁元件。

對於非隔離降壓應用,LT8316的接地針腳連接至降壓拓撲的開關節點,其電壓可變。LT8316採用獨有的檢測方法,使其只在開關節點接地時檢測輸出電壓,因此降壓原理圖相當簡單。

與反馳式轉換器一樣,降壓轉換器的電源電壓也可以擴展。圖5顯示了輸入電壓最高可達800 V的降壓轉換器的原理圖。LT8316的電源電壓和VIN針腳之間存在一個220 V齊納二極體。有鑑於齊納二極體存在電壓容差,最小的啟動電壓為260 V。啟動之後,LT8316繼續以更低的電源電壓正常運行。圖6顯示了不同輸入電壓下的效率,降壓轉換器的峰值效率達到91%。圖7顯示了負載和電壓調整率。

圖5.電源電壓最高800 V的非隔離降壓轉換器的原理圖。

圖6.圖5中降壓轉換器的效率。

圖7.圖5中降壓轉換器的負載和電壓調整率。

與圖4中的反馳式轉換器類似,可以在電源電壓和VIN 針腳之間增加電壓穩壓器,以使降壓轉換器實現低啟動電壓。需要注意的是,GND針腳和VIN引腳之間存在一個體二極體,它會增高電晶體的射極電壓,因而導致基礎射極擊穿。為了防止這種情況出現,我們可透過增加兩個二極體來保護該電晶體。圖8所示為低啟動電壓解決方案。

圖8.採用低啟動電壓的800 VIN非隔離降壓轉換器的原理圖。

結論

LT8316可透過准諧振邊界模式工作,無需採用光耦合器即可實現出色穩壓。此外,它還具有豐富的特性,包括低漣波Burst Mode®工作、軟啟動、可編程電流限制、欠壓鎖定、溫度補償和低靜態電流。高度整合簡化了零組件數量較少的高性能解決方案之設計,可涵蓋的應用範圍非常廣泛,包括從由電池供電的系統到汽車、工業、醫療、電信電源,以至於隔離輔助/家用電源等。