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)計中，隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計是一個常見且具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。特別是在需要多個輸出的情況下，如何高效、穩(wěn)定地實現(xiàn)輔助輸出是關(guān)鍵。今天，我們就來深入探討一下Linear Technology的LT3710，一款專門為隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器輔助輸出設(shè)計的高性能同步后級調(diào)節(jié)器。

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一、LT3710的特性亮點

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，實現(xiàn)了高效率的功率轉(zhuǎn)換。其高精度的0.8V ±1.5%電壓基準，為輸出電壓的穩(wěn)定提供了堅實保障。

2. 靈活的可編程特性

具備可編程電流限制保護和軟啟動功能。可編程電流限制可以根據(jù)實際應(yīng)用需求設(shè)置最大輸出電流，保護電路免受過載損壞；可編程軟啟動則能有效降低啟動時的電流沖擊，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，它還具備自動頻率同步功能，可與變壓器次級繞組的下降沿同步，適用于單端和雙端隔離式電源轉(zhuǎn)換器拓撲。

4. 緊湊的封裝設(shè)計

采用16引腳熱增強型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)用場景廣泛

1. 48V隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器

在通信、工業(yè)自動化等領(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

對于需要多個輸出電壓的電源系統(tǒng)，LT3710可以通過并行處理輸出功率，直接調(diào)節(jié)輔助輸出，避免了使用多個次級繞組或級聯(lián)調(diào)節(jié)器帶來的問題，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，保護電路安全。

2. 工作過程

在正常工作時，開關(guān)周期從變壓器次級電壓(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。當斜坡信號與反饋誤差放大器輸出(VAOUT)相交時，頂部MOSFET M1開啟，電感電流由(VS - V{OUT2})充電。當次級電壓變?yōu)榱銜r，降壓電路的有效導(dǎo)通時間結(jié)束，下一個周期重復(fù)。

四、設(shè)計要點與注意事項

1. 同步與振蕩頻率設(shè)置

為了實現(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(CSET = (107250 pf / f{OSC(kHz)}) - 50 pF)計算CSET電容的值。

2. 輸出N溝道MOSFET驅(qū)動器

LT3710采用高速N溝道MOSFET同步驅(qū)動器，GBIAS為8V調(diào)節(jié)器輸出，用于偏置和供電驅(qū)動器，需要使用低ESR電容進行適當?shù)呐月?。開關(guān)節(jié)點需要使用肖特基鉗位二極管。

3. 輕載運行

如果BGS引腳接地，LT3710除了在軟啟動操作外，將獨立于負載條件保持連續(xù)模式。如果BGS引腳懸空，在輕載且(V_{RS1})下降到8mV以下時，BGATE將關(guān)閉，LT3710進入不連續(xù)模式運行，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. 軟啟動與關(guān)機

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

6. 布局考慮

為了實現(xiàn)最大效率，開關(guān)的上升和下降時間應(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散路徑。注意，封裝的底部金屬既是散熱器又是IC信號接地，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，通過電阻分壓器R3和R4可以輕松編程輸出電壓，計算公式為(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開啟時的負毛刺。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，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)選擇為實現(xiàn)合理的紋波電流，通常設(shè)計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)動兩個外部N溝道MOSFET以實現(xiàn)高效的大電流輸出。選擇MOSFET時，關(guān)鍵參數(shù)包括漏源電壓額定值(V{DSS})和6.5V柵極驅(qū)動下的(R{DS(ON)})。由于變壓器次級電壓波形在上升沿會因變壓器漏電感和寄生電容之間的振鈴而出現(xiàn)過沖，因此頂部和底部MOSFET的(V{DSS})必須足夠高于最大過沖。建議在變壓器次級繞組兩端放置RC緩沖器或電壓鉗位電路以限制(V{S})過沖。同時，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)計實例分析

圖3展示了一個LT3710的應(yīng)用實例，這是一個雙輸出、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)換器拓撲，并具有同步整流功能。初級側(cè)控制器使用LT3781，次級側(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。1.8V輸出由LT3710電路生成。該設(shè)計采用了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)計還具備初級側(cè)開/關(guān)控制、3.3V輸出±5%的次級側(cè)微調(diào)、輸入過壓保護和欠壓鎖定等功能。

六、總結(jié)

LT3710作為一款高性能的次級側(cè)同步后級調(diào)節(jié)器，為隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的輔助輸出設(shè)計提供了一個優(yōu)秀的解決方案。它具有高效、靈活、緊湊等諸多優(yōu)點，適用于多種應(yīng)用場景。在設(shè)計過程中，我們需要根據(jù)具體需求合理設(shè)置各項參數(shù)，選擇合適的外部元件，并注意布局和濾波等問題，以確保系統(tǒng)的性能和可靠性。希望本文對廣大電子工程師在使用LT3710進行設(shè)計時有所幫助。大家在實際設(shè)計中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。