LT8302/LT8302 - 3：高性能隔離反激式轉(zhuǎn)換器的設計與應用

在電子設計領(lǐng)域，電源管理一直是至關(guān)重要的一環(huán)。ADI推出的LT8302/LT8302 - 3隔離反激式轉(zhuǎn)換器，憑借其出色的性能和獨特的設計，在眾多應用場景中展現(xiàn)出強大的優(yōu)勢。今天，我們就來深入探討這款轉(zhuǎn)換器的特點、工作原理以及應用設計。

文件下載：LT8302IS8E#WPBF.pdf

一、產(chǎn)品概述

LT8302/LT8302 - 3是一款單片微功率隔離反激式轉(zhuǎn)換器，工作輸入電壓范圍為3V至42V，能夠提供高達18W的隔離輸出功率。它集成了3.6A、65V的內(nèi)部DMOS功率開關(guān)，采用熱增強型8引腳SO封裝，具有低靜態(tài)電流、高效率等特點，適用于隔離式汽車、工業(yè)、醫(yī)療電源等多種應用場景。

主要特性

1. 寬輸入電壓范圍：3V至42V的輸入電壓范圍，能適應多種電源環(huán)境。
2. 低靜態(tài)電流：睡眠模式下僅106μA，活動模式下為380μA，有效降低功耗。
3. 工作模式靈活：重載時采用準諧振邊界模式，輕載時采用低紋波突發(fā)模式，兼顧效率和輸出電壓紋波。
4. 無需光耦或變壓器第三繞組：通過直接從初級側(cè)反激波形采樣隔離輸出電壓，實現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)，簡化了電路設計。
5. 保護功能完善：具備輸出短路保護、精確的EN/UVLO閾值和遲滯、內(nèi)部補償和軟啟動等功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。

二、引腳功能與電氣特性

引腳功能

1. EN/UVLO（引腳1）：用于使能轉(zhuǎn)換器和設置欠壓鎖定（UVLO）閾值，可通過電阻分壓器從(V_{IN})連接到地來編程。
2. (INTV_{CC})（引腳2）：內(nèi)部3V線性穩(wěn)壓器輸出，為內(nèi)部控制電路和柵極驅(qū)動器供電，需用至少1μF陶瓷電容旁路到地。
3. (V_{IN})（引腳3）：輸入電源引腳，為內(nèi)部電路提供電流，并作為連接到(R_{FB})引腳的反饋電路的參考電壓，需用電容旁路到地。
4. GND（引腳4和外露焊盤引腳9）：接地引腳，外露焊盤提供電氣接地和良好的熱接觸，需直接焊接到接地平面。
5. SW（引腳5）：內(nèi)部DMOS功率開關(guān)的漏極，應盡量減小該引腳的走線面積以減少EMI和電壓尖峰。
6. (R_{FB})（引腳6）：外部反饋電阻的輸入引腳，連接一個電阻到變壓器初級SW引腳，通過與(R_{REF})電阻的比值和內(nèi)部電壓參考來確定輸出電壓。
7. (R_{REF})（引腳7）：外部接地參考電阻的輸入引腳，電阻值范圍為9.09k至11.0k，推薦值為10k。
8. TC（引腳8）：輸出電壓溫度補償引腳，電壓與絕對溫度成正比（PTAT），可用于估計芯片結(jié)溫，并通過連接電阻到(R_{REF})引腳來補償輸出二極管的溫度系數(shù)。

電氣特性

在不同的工作條件下，LT8302/LT8302 - 3展現(xiàn)出穩(wěn)定的電氣性能。例如，輸入電壓范圍為3V至42V，靜態(tài)電流在睡眠模式和活動模式下分別為106μA和380μA，EN/UVLO使能閾值為1.214V等。這些特性為電路設計提供了明確的參數(shù)依據(jù)。

三、工作原理

隔離輸出電壓采樣

傳統(tǒng)的隔離拓撲中，通常使用光耦或額外的變壓器繞組來將輸出電壓信息從隔離的次級側(cè)傳輸?shù)匠跫墏?cè)進行調(diào)節(jié)。而LT8302/LT8302 - 3通過初級側(cè)反激脈沖波形采樣隔離輸出電壓，無需光耦或額外的變壓器繞組。在邊界傳導模式或不連續(xù)傳導模式下，當次級電流為零時，在SW引腳對輸出電壓進行采樣，這種方法提高了負載調(diào)節(jié)能力，且無需外部負載補償組件。

工作模式

1. 準諧振邊界模式：在重載時，芯片在次級電流為零且SW引腳電壓振蕩到谷底時開啟初級功率開關(guān)。邊界傳導模式是一種可變頻率、可變峰值電流的開關(guān)方案，能使次級電流每個周期都歸零，避免寄生電阻壓降導致的負載調(diào)節(jié)誤差，且與連續(xù)傳導模式相比，可使用更小的變壓器，不會出現(xiàn)次諧波振蕩。
2. 不連續(xù)傳導模式：隨著負載變輕，邊界傳導模式會增加開關(guān)頻率并按相同比例降低開關(guān)峰值電流。為避免高頻開關(guān)帶來的損耗，芯片內(nèi)部振蕩器將最大開關(guān)頻率限制在380kHz以下。當開關(guān)頻率達到內(nèi)部頻率限制時，芯片開始延遲開關(guān)導通，進入不連續(xù)傳導模式。
3. 低紋波突發(fā)模式：當負載非常輕時，芯片在保持最小開關(guān)電流限制的同時降低開關(guān)頻率，在睡眠模式和活動模式之間切換，從而降低有效靜態(tài)電流，提高輕載效率。典型的12kHz最小開關(guān)頻率決定了輸出電壓的采樣頻率和最小負載要求。

LT8302與LT8302 - 3的區(qū)別

兩者的主要區(qū)別在于邊界檢測方法。LT8302使用(R{REF})引腳的dv/dt斜率進行檢測，而LT8302 - 3使用(R{REF})引腳的電壓電平進行檢測。對于低漏電感的優(yōu)質(zhì)變壓器，兩者表現(xiàn)相似，但LT8302 - 3在多繞組輸出應用中對(R_{REF})引腳的噪聲敏感度較低，因此更推薦使用。

四、應用設計

輸出電壓編程

通過(R{FB})和(R{REF})兩個外部電阻來編程輸出電壓。當功率開關(guān)M1關(guān)閉時，SW引腳電壓上升，反激脈沖的幅度與輸出電壓、輸出二極管正向電壓、變壓器次級電流和次級電路總阻抗等因素有關(guān)。通過將反激電壓轉(zhuǎn)換為電流，并經(jīng)過(R{REF})電阻產(chǎn)生接地參考電壓，與內(nèi)部參考電壓進行比較，從而實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。具體計算公式為： [V{OUT }=V{REF } cdotleft(frac{R{FB}}{R{REF }}right) cdotleft(frac{1}{N{PS}}right)-V_{F}]

輸出溫度補償

由于輸出二極管正向電壓具有顯著的負溫度系數(shù)，會導致輸出電壓隨溫度變化而產(chǎn)生波動。為了補償這種影響，可在TC和(R{REF})引腳之間連接一個電阻(R{TC})，產(chǎn)生與絕對溫度成正比（PTAT）的電流。通過調(diào)整(R{TC})的值，可以使輸出電壓在不同溫度下保持穩(wěn)定。具體計算公式為： [begin{aligned} V{OUT }= & V{REF } cdotleft(frac{R{FB}}{R{REF }}right) cdotleft(frac{1}{N{PS}}right)-V{F}(TO)-left(delta V{TC} / delta Tright) cdot & (T - TO) cdotleft(frac{R{FB}}{R{TC}}right) cdotleft(frac{1}{N{PS}}right)-left(delta V{F} / delta Tright) cdot(T - TO) end{aligned}]

電阻值選擇

選擇(R{REF})、(R{FB})和(R_{TC})電阻值時，可采用以下兩步順序過程：

1. 首先，根據(jù)公式計算(R{FB})的初始值： [R{F B}=frac{R{R E F} cdot N{P S} cdotleft(V{OUT }+V{F}(T O)right)}{V{R E F}}] 其中，(R{REF})推薦值為10k，(V_{F}(TO))為室溫（25°C）下輸出二極管的正向電壓。
2. 構(gòu)建并上電測試電路，測量調(diào)節(jié)后的輸出電壓(V{OUT(MEAS)})，然后根據(jù)公式調(diào)整(R{FB})的值： [R{FB(NEW)}=frac{V{OUT }}{V{OUT(MEAS) }} cdot R{FB}]
3. 測試輸出二極管的溫度系數(shù)，根據(jù)公式計算(R{TC})的值： [R{TC}=frac{left(delta V{TC} / delta Tright)}{-left(delta V{F} / delta Tright)} cdotleft(frac{R{FB}}{N{PS}}right)]

輸出功率計算

反激式轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出電流關(guān)系較為復雜，其輸出功率與輸入電壓、占空比、開關(guān)電流限制和效率等因素有關(guān)。計算公式為： [P{OUT }=eta cdot V{IN } cdot D cdot I{SW(MAX) } cdot 0.5] 其中，(eta)為效率，約為85%；(D)為占空比；(I{SW(MAX)})為最大開關(guān)電流限制，最小值為3.6A。

變壓器選擇

變壓器的規(guī)格和設計是成功應用LT8302/LT8302 - 3的關(guān)鍵。選擇變壓器時，需要考慮以下因素：

1. 初級電感：為確保采樣時間和避免開關(guān)振蕩，初級電感應滿足以下兩個條件： [L{P R I} geq frac{t{O F F(M I N)} cdot N{P S} cdotleft(V{O U T}+V{F}right)}{I{S W(M I N)}}] [L{P R I} geq frac{t{ON(MIN)} cdot V{IN(MAX)}}{I{SW(MIN)}}] 通常選擇初級電感比計算的最小值大40%至60%。
2. 匝數(shù)比：匝數(shù)比會影響輸出功率和開關(guān)電壓應力，應根據(jù)應用需求選擇合適的匝數(shù)比，同時要確保SW引腳電壓不超過65V的絕對最大額定值。計算公式為： [N{P S}{I N(M A X)} - V{L E A K A G E}}{V{O U T}+V_{F}}]
3. 飽和電流：變壓器繞組中的電流不應超過其額定飽和電流，否則能量將無法傳遞到次級，而是在磁芯中耗散。
4. 繞組電阻：初級或次級繞組的電阻會降低整體功率效率，但由于LT8302/LT8302 - 3采用邊界/不連續(xù)傳導模式，輸出電壓調(diào)節(jié)不受繞組電阻影響。
5. 漏電感和緩沖器：變壓器的漏電感會導致開關(guān)關(guān)斷后在初級產(chǎn)生電壓尖峰，應盡量減小漏電感?？墒褂茫≧C + DZ）緩沖電路來鉗位和抑制電壓尖峰，保護SW引腳。