一種原邊反饋隔離電源的設(shè)計(jì)

中國(guó)兵器工業(yè)第214研究所 吳力濤 楊瓊楠 陳劍鈞 孫 迪

原邊反饋反激式隔離電源是通過直接從初級(jí)側(cè)反激波形對(duì)隔離式輸出電壓進(jìn)行采樣控制從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出。基于ADI公司的LT8302型無光耦反饋的隔離型反激式電源控制器作為原邊反饋反激式隔離電源的核心控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于其封裝小、內(nèi)部集成開關(guān)而且外圍電路少，大大縮小了電源的外形尺寸。最后通過仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)的原邊反饋反激式隔離電源進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真，仿真結(jié)果表明其滿足設(shè)計(jì)要求。

隔離型電源模塊由于其輸入端和輸出端完全電氣隔離，可切斷無用信號(hào)的傳播途經(jīng)，其優(yōu)勢(shì)如下：

（1）保護(hù)人員、設(shè)備免遭感應(yīng)在隔離另一端的危險(xiǎn)瞬態(tài)電壓損害；

（2）去除隔離電路之間的接地環(huán)路以改善抗噪聲能力；

（3）在系統(tǒng)中輕松完成輸出接線，而不與主接地發(fā)生沖突。

市場(chǎng)上的隔離型開關(guān)電源所使用的隔離穩(wěn)壓技術(shù)大致可分為光隔離反饋型、磁隔離反饋型、無反饋型和原邊反饋型四種，其各自優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 四種隔離型開關(guān)電源對(duì)比

通過表1的對(duì)比可知，每一種隔離型開關(guān)電源都有其鮮明的特點(diǎn)，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合可以根據(jù)實(shí)際需要選用不同類型的隔離型開關(guān)電源。但是在既需要產(chǎn)品小型化集成又需要輸出電壓穩(wěn)定的應(yīng)用場(chǎng)合，原邊反饋型隔離型的開關(guān)電源還是較好的選擇方案。

1 電源設(shè)計(jì)要求

原邊反饋隔離電源采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過直接從初級(jí)側(cè)反激電壓對(duì)隔離輸出電壓進(jìn)行采樣控制從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出，由于其不需要光耦和第三繞組隔離和組建反饋控制網(wǎng)絡(luò)，大大減少了電源的組成器件，特別適合用來設(shè)計(jì)微型隔離電源。

本文基于ADI公司的LT8302型電源控制器，設(shè)計(jì)出一款寬輸入電壓范圍的微型隔離電源模塊，用于控制系統(tǒng)中需要電氣隔離的場(chǎng)合，主要技術(shù)要求如下：

（1）輸入電壓：8V～32V；

（2）輸出電壓：5V±0.2V；

（3）最大輸出電流：1.5A；

（4）輸出紋波：≤100mV；

（5）轉(zhuǎn)換效率：≥80%。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 電路原理設(shè)計(jì)

原邊反饋隔離電源的原理是通過檢測(cè)初級(jí)側(cè)反激電壓對(duì)隔離輸出電壓進(jìn)行采樣控制從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出。

LT8302的原邊反饋電源原理如圖1所示，其工作原理為，當(dāng)功率MOS管M1關(guān)斷時(shí)，SW腳上會(huì)反向耦合變壓器副邊的電壓、電流，有反激電壓VFLBK：

圖1 原邊反饋原理框圖

其中VOUT為輸出電壓，VF為輸出整流二極管壓降，ISEC為次級(jí)線圈上的電流，ESR為整個(gè)次級(jí)電路上的等效串聯(lián)電阻，NPS為變壓器初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的有效匝比。

該反激電壓VFLBK通過RRFB、M2、RFB取樣、比較等處理，并控制內(nèi)置功率開關(guān)M1開啟、關(guān)斷，以調(diào)節(jié)輸出電壓，可見電路工作在零邊界模式，穩(wěn)定工作時(shí)有：

這樣就可以通過RFB、RRFB和NPS設(shè)置要求的輸出電壓：

LT8302是一款反激式原邊反饋電源控制器，其最低工作電壓為2.8V，最高工作電壓42V，內(nèi)部集成了65V/3.6A的功率開關(guān)，可以將輸入的8V～32V直流電源通過變壓器轉(zhuǎn)換成隔離的5V電源，原理如圖2所示。

圖2 電路原理圖

如圖2所示，電路主要由輸入濾波(C1)、PWM控制器(N1)、隔離變壓器(T1)、整流(D3)和輸出濾波(C4)五個(gè)部分組成。隔離變壓器(T1)和PWM控制器(N1)組成變換器的主體，實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和電壓的傳遞。PWM控制器(N1)中的原邊反饋檢測(cè)部分(RREF和RFB)根據(jù)輸出電壓和負(fù)載動(dòng)態(tài)的變化調(diào)節(jié)PWM控制器的占空比輸出，控制內(nèi)部功率開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，從而保證輸出電壓的穩(wěn)定。其中RTC為溫度補(bǔ)償電路，C3、R3、D1和D2構(gòu)成尖峰吸收電路。

2.2 變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 變壓器匝比確定

輸入電壓8V～32V，輸出電壓5V/1.5A，隔離電壓500V，預(yù)計(jì)轉(zhuǎn)換效率80%以上，此時(shí)，變壓器初次級(jí)匝數(shù)比NPS：

其中：

NPS為變壓器初次級(jí)匝數(shù)比；

VIN(MAX)為輸入最高電壓32V；

VLEAKAGE為變壓器反射電壓15V；

VOUT為輸出電壓5V；

VF為二極管導(dǎo)通壓降約0.3V；

當(dāng)NPS取3時(shí)，此時(shí)最大占空比DMAX：

在8V輸入電壓的情況下，最大占空比約為0.67，在28V輸入電壓的情況下，最大占空比約為0.36，在32V輸入電壓的情況下，最大占空比約為0.33，都在控制器的工作范圍之內(nèi)。

2.2.2 初級(jí)電感量設(shè)計(jì)

變壓器的最小初級(jí)電感量LPRI必須滿足開關(guān)最小關(guān)斷時(shí)間tOFF(MIN)和最小開啟時(shí)間tON(MIN)。初級(jí)電感量LPRI：

根據(jù)LT8302數(shù)據(jù)手冊(cè)參數(shù)典型值查閱，其中，tOFF(MIN)＝350ns；tON(MIN)＝160ns；ISW(MIN)＝0.87A，則：

變壓器的電感量誤差通常為20%，再考慮到其他器件的誤差，我們通常在計(jì)算電感量的基礎(chǔ)上增加40%～60%的余量，因此初級(jí)電感量LPRI我們?nèi)?μH。

次級(jí)電感量LSEC：

2.3 反饋參數(shù)設(shè)計(jì)

輸出電壓可以用RFB、RREF和變壓器的匝比等參數(shù)共同設(shè)置，變壓器匝比已經(jīng)選用3：1，這樣RFB、RRFB設(shè)計(jì)計(jì)算如下：

其中，VREF是芯片內(nèi)部的帶隙基準(zhǔn)電壓，VREF＝1V；

NPS是變壓器初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的有效匝數(shù)比；

VF是整流二極管正向壓降，典型值0.3V；

ISEC是次級(jí)線圈上的電流；

ESR是整個(gè)次級(jí)電路上的等效串聯(lián)電阻。

可以根據(jù)RFB和RREF電阻計(jì)算出輸出電壓，當(dāng)VOUT＝5V時(shí)，RREF取10kΩ，RFB取154kΩ。

2.4 輸出濾波設(shè)計(jì)

輸出紋波大小與輸出濾波電容大小有關(guān)，為了減小輸出紋波，就需要加大輸出濾波電容。輸出濾波電容與輸出紋波的關(guān)系為：

要求輸出紋波ΔVOUT≤100mV，查數(shù)據(jù)手冊(cè)ISW＝4.5A，則：

考慮到電容的誤差，因此選取220μF輸出濾波電容。

3 仿真結(jié)果

使用LTspice仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)的電源進(jìn)行仿真，在最低工作電壓8V輸入情況下，輸出電壓在輕載（10%負(fù)載）和滿載的情況下均滿足設(shè)計(jì)要求。具體仿真圖見圖3和圖4所示。

圖3 5V輸出仿真波形（滿載）

圖4 5V輸出仿真波形（10%負(fù)載）