LT8306：60V低功耗無光耦隔離反激控制器的設(shè)計指南

在電源設(shè)計領(lǐng)域，一款優(yōu)秀的隔離反激控制器能為工程師們帶來諸多便利。今天，我們就來深入探討一下Analog Devices的LT8306——一款60V低功耗無光耦隔離反激控制器。

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一、產(chǎn)品概述

LT8306采用6引腳ThinSOT?封裝，是一款微功率隔離反激控制器。它具有寬輸入電壓范圍（4.5V至60V），靜態(tài)電流低，睡眠模式下為120μA，活動模式下為390μA。在重載時采用準(zhǔn)諧振邊界模式工作，輕載時采用低紋波突發(fā)模式（Burst Mode?）工作，最小負(fù)載小于滿載輸出的0.5%（典型值）。通過單個外部電阻即可設(shè)置輸出電壓，擁有8V柵極驅(qū)動用于外部NFET，且無需變壓器第三繞組或光耦進(jìn)行穩(wěn)壓。此外，它還具備精確的使能/欠壓鎖定（EN/UVLO）閾值和遲滯、內(nèi)部補(bǔ)償和軟啟動、輸出短路保護(hù)等功能，并且通過了AEC - Q100汽車應(yīng)用認(rèn)證。

二、技術(shù)特性分析

（一）工作模式

1. 邊界傳導(dǎo)模式（BCM） 在重載時，LT8306采用邊界傳導(dǎo)模式工作。此模式下，當(dāng)次級電流為零時，芯片開啟初級功率開關(guān)。它是一種可變頻率、可變峰值電流的開關(guān)方案，功率開關(guān)開啟，變壓器初級電流增大至內(nèi)部控制的峰值電流限制。外部MOSFET關(guān)斷后，MOSFET漏極電壓升高至輸出電壓乘以變壓器初級 - 次級匝數(shù)比加上輸入電壓。當(dāng)通過輸出二極管的次級電流降至零時，MOSFET漏極電壓降至 (V_{IN}) 以下，邊界模式檢測器檢測到該事件后重新開啟外部MOSFET。這種模式能使次級電流在每個周期都?xì)w零，寄生電阻性壓降不會導(dǎo)致負(fù)載調(diào)節(jié)誤差，且相較于連續(xù)傳導(dǎo)模式，可使用更小的變壓器，無次諧波振蕩問題。
2. 不連續(xù)傳導(dǎo)模式（DCM） 隨著負(fù)載變輕，邊界傳導(dǎo)模式會提高開關(guān)頻率并按相同比例降低開關(guān)峰值電流。當(dāng)開關(guān)頻率高達(dá)數(shù)MHz時，會增加開關(guān)和柵極電荷損耗。為避免這種情況，LT8306內(nèi)置振蕩器將最大開關(guān)頻率限制在400kHz（典型值）以內(nèi)。一旦開關(guān)頻率達(dá)到內(nèi)部頻率限制，芯片會延遲開關(guān)開啟時間，進(jìn)入不連續(xù)傳導(dǎo)模式。由于LT8306內(nèi)部集成了控制環(huán)路補(bǔ)償和電源軌，無需外部電容，在不連續(xù)傳導(dǎo)模式下可能會有抖動現(xiàn)象。
3. 低紋波突發(fā)模式 與傳統(tǒng)反激式轉(zhuǎn)換器不同，LT8306必須以最小時間和最小頻率開啟和關(guān)閉，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的精確采樣。當(dāng)負(fù)載非常輕時，LT8306在保持最小開關(guān)電流限制的同時降低開關(guān)頻率，使負(fù)載電流降低的同時仍能為采樣保持誤差放大器提供最小關(guān)斷時間。此時，芯片在睡眠模式和活動模式之間切換，降低有效靜態(tài)電流，提高輕載效率。10kHz（典型值）的最小開關(guān)頻率決定了輸出電壓的采樣頻率和最小負(fù)載要求。

（二）輸出電壓設(shè)置

LT8306通過外部 (R{FB}) 電阻來設(shè)置輸出電壓。其工作原理是通過獨(dú)特的反激脈沖檢測電路和采樣保持誤差放大器對反激脈沖進(jìn)行采樣，從而實(shí)現(xiàn)對隔離輸出電壓的調(diào)節(jié)。具體公式如下： [V{FLBK}=left(V{OUT}+V{F}+I{SEC} cdot ESRright) cdot N{PS}] [V{FLBK}=R{FB} cdotleft(frac{V{REF}}{R{REF}}right)=I{RFB} cdot R{FB}] [V{OUT }=100 mu A cdotleft(frac{R{FB}}{N{PS}}right)-V{F}] 其中， (V{FLBK}) 為反激脈沖幅度， (V{OUT}) 為輸出電壓， (V{F}) 為輸出二極管正向電壓， (I{SEC}) 為變壓器次級電流， (ESR) 為次級電路總阻抗， (N{PS}) 為變壓器有效初級 - 次級匝數(shù)比， (V{REF}) 為內(nèi)部參考電壓（1.00V）， (I{RFB}) 為 (R{FB}) 調(diào)節(jié)電流（100μA）。

（三）輸出溫度系數(shù)

輸出電壓公式中的第一項(xiàng)與溫度無關(guān)，但輸出二極管正向電壓 (V_{F}) 具有顯著的負(fù)溫度系數(shù)（?1mV/°C至?2mV/°C），這會導(dǎo)致輸出電壓在不同溫度下有200mV至300mV的變化。對于較高電壓輸出（如12V和24V），輸出二極管溫度系數(shù)對輸出電壓調(diào)節(jié)的影響可忽略不計；但對于較低電壓輸出（如3.3V和5V），會額外增加2%至5%的輸出電壓調(diào)節(jié)誤差。若需要在不同溫度下實(shí)現(xiàn)精確的輸出電壓調(diào)節(jié)，可參考ADI其他具有集成溫度補(bǔ)償功能的產(chǎn)品。

（四）選擇 (R_{FB}) 電阻值

由于采樣特性，LT8306的采樣方案存在可重復(fù)的延遲和誤差源，會影響輸出電壓，因此需要重新評估 (R{FB}) 電阻值。選擇 (R{FB}) 電阻值的步驟如下：

1. 根據(jù)輸出電壓公式計算 (R{FB}) 的初始值： [R{FB}=frac{N{PS} cdotleft(V{OUT}+V_{F}right)}{100 mu A}]
2. 使用初始 (R{FB}) 值和其他組件為應(yīng)用上電，測量調(diào)節(jié)后的輸出電壓 (V{OUT(MEAS)}) ，根據(jù)以下公式調(diào)整最終 (R{FB}) 值： [R{FB(FINAL) }=frac{V{OUT }}{V{OUT(MEAS) }} cdot R_{FB}]

（五）輸出功率限制

LT8306的MOSFET功率開關(guān)位于芯片外部，因此最大輸出功率主要受外部組件限制，可分為電壓限制、電流限制和熱限制三類。

1. 電壓限制：反激式設(shè)計中的電壓限制主要是MOSFET開關(guān)的 (V{DS(MAX)}) 和輸出二極管的反向偏置額定值。提高任何一個組件的電壓額定值通常會降低應(yīng)用效率，且這些組件的電壓要求與變壓器的匝數(shù)比、輸入和輸出電壓以及是否使用額外的緩沖組件直接相關(guān)。理論上，MOSFET的 (V{DS(MAX)}) 必須高于 (V{IN(MAX)}+(V{OUT} cdot N_{PS})) ，但MOSFET漏極和輸出二極管陽極的漏感尖峰可能會使該要求翻倍。
2. 電流限制：在高功率應(yīng)用中，輸出功率的電流限制通常受變壓器飽和電流的約束。通過減小 (R_{SENSE}) 電阻來增加反激式變壓器初級側(cè)的峰值電流是增加輸出功率的主要方法，但當(dāng)超過變壓器的飽和電流時，初級和次級之間的能量耦合會降低，無法向輸出提供額外的功率，還會導(dǎo)致初級電感下降，SENSE引腳過流閾值可能觸發(fā)，變壓器發(fā)熱。
3. 熱限制：對于較低輸出電壓的反激式應(yīng)用，熱限制主要由輸出二極管的損耗決定，隨著輸出電壓的增加，變壓器的電阻和漏感損耗在總損耗中所占的比例會增加。為了在提高效率的同時確保組件溫度不超過額定值，需要最小化輸出二極管的RMS電流，選擇在預(yù)期電流下正向壓降最小的二極管，并最小化變壓器的寄生電阻和漏感。

三、關(guān)鍵組件選擇

（一）變壓器選擇

變壓器的規(guī)格和設(shè)計是成功應(yīng)用LT8306的關(guān)鍵。在選擇變壓器時，除了考慮高頻隔離電源變壓器設(shè)計的一般準(zhǔn)則外，還需注意以下幾點(diǎn)：

1. 匝數(shù)比和RMS二極管電流：選擇 (R{FB}) 電阻設(shè)置輸出電壓時，可相對自由地選擇變壓器匝數(shù)比。使用小整數(shù)比（如3:1、2:1、1:1）可在確定總匝數(shù)和互感時提供更多靈活性。雖然可以通過選擇匝數(shù)比來最大化給定電流限制下的輸出功率，但減小匝數(shù)比并增加電流限制通?？梢蕴岣咝什⒏玫乩米儔浩鞯娘柡碗娏?。同時，匝數(shù)比存在兩個重要限制：一是MOSFET漏極電壓等于最大輸入電源加上輸出電壓乘以匝數(shù)比再加上漏感引起的過沖；二是增加匝數(shù)比會增加RMS二極管電流，降低效率，在較低輸出電壓時這種效率限制更為明顯。計算RMS二極管電流的公式如下： [D=frac{left(V{OUT }+V{F}right) cdot N{PS}}{V{IN}+left(V{OUT }+V{F}right) cdot N{PS}}] [I{DIODE(RMS) }=sqrt{frac{left(I{LIM} cdot N_{PS}right)^{2} cdot(1-D)}{3}}]
2. 其他特性：變壓器繞組中的電流不應(yīng)超過其額定飽和電流，因?yàn)殍F芯飽和后注入的能量不會傳遞到次級，而是在鐵芯中耗散。初級或次級繞組的電阻會降低整體功率效率，但由于LT8306的邊界/不連續(xù)傳導(dǎo)模式操作，輸出電壓調(diào)節(jié)與繞組電阻無關(guān)。變壓器的漏感會導(dǎo)致MOSFET開關(guān)關(guān)斷后在初級出現(xiàn)電壓尖峰，應(yīng)盡量減小漏感。在某些情況下，可能需要使用（RC + DZ）緩沖電路來鉗位和抑制漏感電壓尖峰。

（二）電流檢測電阻選擇

外部電流檢測電阻用于優(yōu)化應(yīng)用的電流限制行為。當(dāng)電流檢測電阻從幾歐姆降低到幾十毫歐姆時，開關(guān)峰值電流從幾分之一安培增加到幾十安培。使用小電流檢測電阻值時，需確保電路正常工作。檢測電阻值可根據(jù)以下公式計算： [R{SENSE}=frac{95 mV}{I{LIM}}] 此外，還需注意避免在MOSFET柵極引腳電壓升高時過早觸發(fā)SENSE閾值。

（三）其他組件選擇

1. MOSFET開關(guān)：選擇MOSFET開關(guān)時，需考慮其 (V{DS}) 額定值、 (R{DS(ON)}) 和 (Q{G}) 等參數(shù)。在考慮效率增益和損失時，需要權(quán)衡 (R{DS(ON)}) 和 (V_{DS(MAX)}) ，避免因添加緩沖電路而導(dǎo)致能量損耗增加。
2. 輸出二極管：輸出二極管的反向電壓和功率要求是重要的規(guī)格參數(shù)。選擇具有足夠余量的二極管可避免使用緩沖電路，同時應(yīng)選擇正向壓降最小的二極管以提高效率。
3. 輸出電容：選擇輸出電容時，需在最小化輸出電壓紋波和控制電容尺寸與成本之間進(jìn)行權(quán)衡。輸出電壓紋波可根據(jù)以下公式計算： [Delta V{OUT }=frac{L{PRI} cdot I{LIM}^{2}}{2 cdot C{OUT} cdot V_{OUT}}]

四、設(shè)計示例

以下是一個設(shè)計LT8306應(yīng)用的示例，設(shè)計目標(biāo)為輸出12V、負(fù)載電流4A，輸入范圍9V至36V。

1. 選擇變壓器匝數(shù)比：變壓器匝數(shù)比會影響MOSFET開關(guān)的 (V_{DS}) 額定值、輸出二極管的反向偏置額定值、輸出功率能力和整個轉(zhuǎn)換器的效率。為了優(yōu)化效率，需最小化RMS二極管電流。通過計算不同匝數(shù)比下的各項(xiàng)參數(shù)，最終選擇2:1的匝數(shù)比。
2. 計算檢測電阻值：根據(jù)所需的電流限制，使用公式 (R{SENSE}=frac{95 mV}{I{LIM}}) 計算檢測電阻值。由于計算結(jié)果為非標(biāo)準(zhǔn)值，可調(diào)整電流限制以使用標(biāo)準(zhǔn)電阻值。
3. 選擇變壓器：根據(jù)最小去磁和開關(guān)導(dǎo)通時間要求，計算變壓器的初級電感最小值。同時，變壓器的飽和電流額定值應(yīng)滿足應(yīng)用要求。
4. 選擇MOSFET開關(guān)：根據(jù)變壓器匝數(shù)比和預(yù)期的電壓尖峰，選擇具有適當(dāng) (V{DS}) 額定值的MOSFET開關(guān)。同時，需考慮 (R{DS(ON)}) 和 (Q_{G}) 對效率的影響。
5. 選擇輸出二極管：根據(jù)計算得到的輸出二極管反向電壓，選擇具有足夠反向偏置能力和最小正向壓降的二極管。
6. 選擇輸出電容：使用公式 (Delta V{OUT }=frac{L{PRI} cdot I{LIM}^{2}}{2 cdot C{OUT} cdot V_{OUT}}) 計算輸出電容值，以最小化輸出電壓紋波。
7. 添加緩沖電路：在選擇主要組件后，評估MOSFET開關(guān)漏極的振鈴情況，必要時添加（RC + DZ）緩沖電路。
8. 選擇 (R_{FB}) 電阻：使用公式 (R{FB}=frac{N{PS} cdotleft(V{OUT}+V{F}right)}{100 mu A}) 計算 (R_{FB}) 的初始值，并根據(jù)實(shí)際測量的輸出電壓進(jìn)行調(diào)整。
9. 選擇EN/UVLO電阻：根據(jù)所需的遲滯量和欠壓鎖定（UVLO）閾值，計算R1和R2電阻值。

五、總結(jié)

LT8306是一款功能強(qiáng)大的隔離反激控制器，其寬輸入電壓范圍、低靜態(tài)電流、多種工作模式以及無需光耦和變壓器第三繞組進(jìn)行穩(wěn)壓等特性，使其在隔離電信、汽車、工業(yè)和醫(yī)療電源等應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景。在設(shè)計應(yīng)用時，需要仔細(xì)考慮各個組件的選擇和參數(shù)設(shè)置，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。希望本文能為電子工程師們在使用LT8306進(jìn)行電源設(shè)計時提供一些參考和幫助。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？不妨一起討論交流。