简化多输出隔离DC-DC转换器设计的栅极驱动变压器.doc

1、简 化 多 输 出 隔 离 DC-DC 转 换 器 设 计 的 栅 极 驱 动 变 压 器摘 要 ： 实 际 上 ， 对 于 小 功 率 DC-DC 电 源 转 换 ， 栅 极 驱 动 变 压 器 是 个 理 想的 选 择 ， 因 为 这 种 变 压 器 已 经 做 了 电 压 和 时 间 大 乘 积 (ET 或 伏 特 微 秒 乘 积 )以 及低 漏 电 感 的 优 化 。关 键 字 ： DC-DC 电 源 转 换 , 栅 极 驱 动 变 压 器 , 磁 芯通 常 情 况 下 ， 设 计 隔 离 式 DC-DC 转 换 器 时 遇 到 的 最 大 阻 碍 便 是 变 压 器 设 计 ， 设计

2、 者 往 往 因 此 望 而 却 步 ， 从 而 选 择 其 它 更 简 捷 的 设 计 任 务 。 利 用 市 售 的 栅 极 驱 动 变压 器 特 性 ， 就 可 以 获 得 四 个 单 独 的 隔 离 直 流 输 出 。 实 际 上 ， 对 于 小 功 率 DC-DC 电源 转 换 ， 栅 极 驱 动 变 压 器 是 个 理 想 的 选 择 ， 因 为 这 种 变 压 器 已 经 做 了 电 压 和 时 间 大 乘积 (ET 或 伏 特 微 秒 乘 积 )以 及 低 漏 电 感 的 优 化 。一 款 高 磁 导 率 且 在 高 开 关 频 率 (FSWX)下 有 低 损 耗 的 磁 芯

3、可 支 持 一 般 的10V15V 初 级 电 压 ， 且 在 100kHz500kHz 开 关 频 率 时 有 500ns5 s 的 典 型 导 通 时间 。 该 电 压 和 时 间 范 围 正 是 DC-DC 转 换 器 设 计 所 需 。 同 时 ， 已 经 针 对 低 泄 漏 电 感选 择 了 一 种 磁 芯 几 何 尺 寸 以 及 绕 组 结 构 ， 以 减 少 上 升 和 下 降 时 间 ， 同 时 有 低 的 振 铃 。最 后 ， 所 使 用 的 线 规 足 以 让 DC-DC 转 换 器 处 理 数 10mA 级 的 绕 组 电 流 ， 而 没 有 过 多的 铜 线 损 耗 。

4、 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网Pulse Electronics 公 司 的 P0585栅 极 驱 动 变 压 器 含 有 五 个 绕 组 ， 每 个 绕 组 圈数 都 相 同 (参 考 文 献 1)。 其 中 一 个 绕 组 使 用 三 层 绝 缘 线 (TIW)， 另 外 四 个 绕 组 使 用标 准 绕 组 线 。 TIW 绕 组 作 为 初 级 驱 动 ， 可 获 得 一 个 RMS 为 3kV 的 标 称 主 次 级 击 穿电 压 。 四 个 次 级 绕 组 之 间 的 额 定 击 穿 电 压 并 未 确 定 ， 不 过 这 种 导 线 绝 缘 方 式 通 常 会用

5、于 离 线 电 源 情 况 ， 此 时 ， 各 绕 组 之 间 的 电 压 可 高 达 400V。隔 离 式 电 源 输 出 提 供 了 很 大 的 灵 活 性 。 使 用 这 种 方 式 可 以 在 不 同 地 电 势 情 况 下 ，更 加 方 便 地 打 断 接 地 环 路 ， 为 远 程 电 路 供 电 ， 并 且 简 化 了 对 正 负 输 出 电 压 极 性 的 选择 。 下 图 展 示 了 这 种 变 压 器 的 四 个 次 级 绕 组 ， 它 们 产 生 四 个 独 立 的 等 电 压 输 出 。 但这 四 个 次 级 绕 组 可 以 有 多 种 串 /并 结 合 ， 从 而 产

6、 生 大 量 输 出 电 压 /电 流 的 组 合 。来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网美 信 半 导 体 生 产 的 MAX13256H-桥 电 路 变 压 器 驱 动 器 (IC1)最 适 合 用 于 此 类 应用 。 它 包 含 一 个 独 立 的 变 压 器 隔 离 DC-DC 转 换 器 所 需 要 的 全 部 功 能 。 其 内 置FET 可 承 受 36V 电 压 ， 并 配 置 为 两 个 独 立 的 推 挽 式 输 出 ， 以 精 确 的 50%占 空 比 驱动 变 压 器 的 初 级 ， 避 免 了 铁 芯 饱 和 。 该 驱 动 器 还 包 含 可 调 的 、

7、强 健 的 内 部 限 流 功 能 ，从 而 为 输 出 提 供 短 路 保 护 ， 且 在 故 障 排 除 之 后 能 够 完 美 地 恢 复 。 该 驱 动 也 包 含 欠 压锁 定 (UVLO)功 能 ， 在 输 入 电 压 过 低 时 阻 止 开 关 活 动 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网增 加 的 凌 力 尔 特 公 司 LTC6900时 钟 源 (IC2)用 于 精 确 地 调 整 开 关 频 率 。MAX13256本 身 有 一 个 内 部 时 钟 ， 但 是 考 虑 到 整 个 系 统 的 兼 容 性 或 EMI 原 因 ， 大多 数 用 户 可 能 会 更

8、倾 向 于 自 己 设 定 开 关 频 率 。 MAX13256支 持 使 用 一 个 外 部 TTL电 平 时 钟 ， 而 且 其 UVLO 特 性 确 保 IC1的 VIN 极 上 升 到 导 通 阈 值 前 ， IC2就 上 电 并运 行 。 RSET 的 值 决 定 了 IC2的 输 出 频 率 ， 该 频 率 设 定 为 所 需 IC1开 关 频 率 的 两 倍 。上 表 中 为 开 关 频 率 为 100kHz 和 500kHz 时 ， 输 入 电 压 为 10V、 12V 和 15V 情 况下 的 测 量 结 果 。 由 于 采 用 高 开 关 频 率 、 低 漏 电 电 感 及

9、 肖 特 基 桥 式 整 流 器 ， 即 使 用 了低 值 (1 F)的 表 面 安 装 陶 瓷 输 出 电 容 ， 输 出 电 压 的 纹 波 也 很 小 ， 不 到 20mV 峰 峰值 。 表 中 还 给 出 了 效 率 ， 以 及 因 输 出 未 稳 压 而 造 成 输 出 电 压 与 负 载 电 流 之 间 的 变 动关 系 。 如 果 需 要 更 低 的 噪 声 或 者 严 格 稳 定 的 直 流 输 出 ， 可 以 使 用 线 性 稳 压 器 来 调 节输 出 电 压 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网从 这 些 测 量 结 果 可 看 出 ， 满 载 是 产 生 5

10、00mA 峰 值 初 电 流 时 的 负 载 。 这 是 当RLIM 为 1k 时 的 MAX13256最 小 限 流 阈 值 。 一 些 设 计 者 可 能 想 在 低 于 这 些 经 验 性 的满 载 电 流 水 平 上 进 行 操 作 ， 从 而 获 得 更 多 裕 度 ， 以 防 止 虚 假 的 大 电 流 触 发 。 在 较 高开 关 频 率 下 可 以 看 到 轻 载 输 出 电 压 的 提 升 ， 原 因 是 ： 这 是 一 种 为 求 简 捷 和 高 效 而 使用 了 较 少 阻 尼 器 的 设 计 。 随 着 开 关 频 率 升 高 ， 产 生 了 更 多 的 漏 电 感 能

11、 量 ， 这 些 能 量传 递 到 次 级 绕 组 ， 提 高 了 所 测 得 的 输 出 电 压 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网以 下 为 检 验 该 变 压 器 运 行 参 数 是 否 符 合 数 据 手 册 规 范 的 简 要 说 明 。 P0585变压 器 有 一 个 95V sec 最 大 ET 乘 积 。 这 个 计 算 结 果 是 初 级 绕 组 上 施 加 的 最 大 电 压 与该 电 压 所 持 续 最 大 时 间 (导 通 时 间 )的 乘 积 。 由 于 MAX13256是 以 精 确 的 50%占 空 比驱 动 变 压 器 初 级 ， 最 大 ET 乘

12、 积 将 出 现 在 输 入 电 压 为 15V 时 。 在 本 设 计 中 的100kHz 最 小 开 关 频 率 下 ， 最 长 导 通 时 间 为 5 s， 所 以 最 大 ET 乘 积 为 75V sec，该 值 符 合 数 据 手 册 规 范 。峰 值 磁 通 密 度 规 格 为 2100G。 在 计 算 峰 值 磁 通 ， 数 据 手 册 中 的 方 程 式 2A 和 2B均 基 于 VIN 和 开 关 频 率 。 同 样 ， 峰 值 磁 通 密 度 出 现 于 VIN 为 15V 且 开 关 频 率 为100kHz 时 。 注 意 在 方 程 式 2A 中 ， “DON”为 50

13、%占 空 比 或 0.5， 而 不 是 单 位 为 微 秒的 时 间 。 在 这 些 情 况 下 ， 所 计 算 的 峰 值 磁 通 密 度 为 1512高 斯 ， 符 合 数 据 手 册 中 的规 格 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网运 用 变 压 器 数 据 手 册 中 的 公 式 可 计 算 出 磁 芯 损 耗 。 在 100kHz 时 ， 损 耗 为0.468W， 在 500kHz 时 ， 损 耗 为 0.117W， 后 者 数 值 较 小 ， 原 因 是 有 较 低 的 ET 积 。运 用 变 压 器 数 据 手 册 中 的 公 式 可 算 出 铜 线 损 耗 为 9

14、3.75mW。 这 个 计 算 铜 线 损耗 的 简 化 公 式 是 基 于 绕 组 的 I2R 损 耗 ， 而 未 考 虑 绕 组 的 趋 肤 或 接 近 效 应 。 因 此 ，这 些 简 化 结 果 与 频 率 无 关 ， 而 是 基 于 初 级 绕 组 中 的 500mA 峰 值 电 流 ， 以 及 四 个次 级 绕 组 中 各 自 的 125mA 峰 值 电 流 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网使 用 变 压 器 数 据 手 册 中 的 升 温 公 式 以 及 上 述 计 算 的 总 损 耗 (100kHz 下 为561.75mW)， 可 得 预 期 变 压 器 的 温 升 为 37.2 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网本 设 计 使 用 P0585栅 极 驱 动 变 压 器 ， 您 也 可 以 使 用 其 他 (更 小 的 )市 售 栅 极 驱动 变 压 器 ， 尤 其 是 需 要 较 少 电 压 输 出 ， 以 及 较 小 电 流 的 时 候 。 只 需 要 确 保 您 参 照 本设 计 所 述 方 法 检 查 了 变 压 器 的 最 大 V sec 规 范 。