採用單一IC從30 V至400 V輸入產生隔離或非隔離±12 V輸出
前言：
作者 : ADI 資深工程師Zhijun (George) Qian 及應用工程師William Xiong
電動汽車、大型儲能電池組、家庭自動化、工業和電信電源等都需要將高電壓轉換為±12 V 以滿足為放大器、感測器、資料轉換器和工業製程控制器供電的雙極性電源軌需求。而所有這些系統中的挑戰之一，是構建一個精小、高效的雙極性穩壓器，它的工作溫度範圍為-40°C至+ 125°C，這在汽車和其他高環境溫度應用中尤為重要。
線性穩壓器已廣為人知，並且通常位列雙極性電源備選方案的首位，但它不適用於上述高輸入電壓、低輸出電壓的應用，這主要是由線性穩壓器在高降壓比下的散熱所導致。此外，雙極性解決方案至少需要兩個積體電路(IC)：一個正輸出線性穩壓器和一個負輸出轉換器。更好的解決方案是使用單個切換開關穩壓器，該切換開關穩壓器從較高的輸入產生兩個輸出，並具有良好的效率和調節性能，同時還能適用於狹小空間並降低成本。
本文將介紹兩種精簡電路，它們均使用單個高電壓轉換器，可由30V至400V的寬輸入電壓範圍產生±12V輸出。一個電路是隔離型反馳式拓撲，另一個則是非隔離型降壓拓撲。高電壓單晶片轉換器內建630 V/300 mA MOSFET、控制電路和高電壓啟動電路，採用耐熱增強型20針腳TSSOP封裝。
無需光耦合器的隔離型雙極性反激式穩壓器
反馳式轉換器廣泛用於多輸出應用，以提供電氣隔離、改善安全性並增強抗擾性。輸出可以為正，亦可為負，具體取決於輸出的哪一端接地。傳統上，採用光耦合器將資訊從副邊基準電壓源電路傳輸至原邊，以此來實現輸出電壓調節。問題在於，由於傳播延遲、老化和增益變化等原因，光耦合器會大幅增加複雜性並降低可靠性。通常，連接至IC回饋針腳的輸出在調節回路中占主導地位，而其他輸出則通過變壓器繞組進行鬆散控制，導致這些輸出的調節性能不良。
反馳式轉換器廣泛用於多輸出應用，以提供電氣隔離、改善安全性並增強抗擾性。輸出可以為正，亦可為負，具體取決於輸出的哪一端接地。傳統上，採用光耦合器將資訊從副邊基準電壓源電路傳輸至原邊，以此來實現輸出電壓調節。問題在於，由於傳播延遲、老化和增益變化等原因，光耦合器會大幅增加複雜性並降低可靠性。通常，連接至IC回饋針腳的輸出在調節回路中占主導地位，而其他輸出則通過變壓器繞組進行鬆散控制，導致這些輸出的調節性能不良。
ADI 的 LT8315無需使用光耦合器，它從電源變壓器的第三繞組採樣反馳回來的隔離輸出電壓。此外，它在副邊電流幾乎為零時，亦可檢測到輸出電壓，以實現出色的負載調整。在雙輸出設計中，這種特殊的檢測方案允許嚴密調節每個輸出（兩個輸出都能主導調節）。因此，典型的±5%負載調節非常易於實現。
圖1所示的LT8315解決方案在准諧振邊界傳導模式下工作。原邊MOSFET具有很低的導通損耗，這是因為當開關節點振鈴達到其谷值時，MOSFET才導通。副邊沒有二極體反向恢復損耗。3 kV增強絕緣變壓器是整個隔離閘上唯一的元件，它可提升系統可靠性，並滿足嚴格的高壓電源隔離要求。圖2顯示了不同輸入電壓下的滿載效率曲線。當輸入為70 V且兩個負載電流均為50 mA時，該反馳式轉換器可實現85.3%的峰值效率。
圖1顯示了一款具有30 V至400 V寬輸入範圍的反馳式轉換器的完整原理圖。它的輸出為±12 V，並可在負載電流為5 mA至50 mA時保持非常準確的控制。該反馳式轉換器的峰值效率為85.3%，如圖2所示。
圖1.一款用於30 V至400 V寬輸入範圍的完整±12 V/50 mA隔離型反馳式轉換器。
圖2.圖1所示反馳式轉換器的滿載效率與輸入電壓的關係。
圖3.使用單個LT8315 IC的非隔離型雙電感降壓轉換器的原理圖：從30 V至400 V輸入轉換至±12 V輸出（每路30 mA）。
採用單個IC從30 V至400 V輸入產生隔離或非隔離±12 V輸出
採用雙電感的非隔離型雙極性降壓穩壓器
LT8315具備高電壓輸入能力，只需借助現成的電感，即可以應用於非隔離型解決方案。圖3顯示了一款採用雙電感的降壓穩壓器，僅需幾個組件。該轉換器可接受的輸入電壓範圍很寬（-30 V至400 V），並能產生±12 V/30 mA的輸出。當輸入為30 V時，該電路的兩個輸出均可實現全負載條件下高達87%的效率。
在這種拓撲中，LT8315的GND焊墊特意未接地，而是連接作為驅動兩個輸出的公共切換開關節點。在PCB佈局時，應將LT8315的GND焊墊尺寸限制在裸露焊墊面積內，以減少對其他組件的電磁干擾，因為GND佈線是該拓撲中雜訊相對較高的開關節點。二極體D2與FB 針腳上的兩個1%電阻形成回饋路徑，以調節正輸出電壓。每當MOSFET導通時，為防止FB針腳放電，D2必不可少。電阻分壓器無需考慮D2的正向壓降，因為D2和D3的正向電壓相等並且可以互相抵消；因此，回饋網路會追蹤並嚴密調節正輸出電壓。
負軌包括低電壓耦合電容CFLY、第二電感L2、環流二極體D4和負輸出電容CO2。根據CO1-L1-CFLY-L2電路回路的電感伏秒平衡，L1和L2兩端的平均電壓為零，因此耦合電容CFLY的電壓等於正輸出電壓。CFLY在MOSFET導通期間為L2充電，而D4在MOSFET關斷期間為L2提供放電路徑。負輸出電壓基於CFLY電壓（保持恒定並等於正輸出電壓）間接調節。如圖4的調節曲線所示，當正輸出電壓負載為滿載30 mA時，對於不同的輸入電壓，負輸出電壓在3 mA至30 mA的負載範圍內保持±5%的調節率。
圖4.圖3所示雙電感降壓轉換器在各種輸入電壓下的負12V負載調整曲線。
結論
本文介紹了兩種適用於30 V至400 V寬輸入範圍的雙極性轉換器解決方案：一種是隔離型，另一種是非隔離型。LT8315同時適用於這兩種方案，因為它內建高壓整合式MOSFET和高壓啟動電路，無需光耦合器反饋回路。該元件的其他特性還包括低漣波Burst Mode®工作、軟啟動、可編程電流限制、欠壓鎖住、溫度補償和低靜態電流。LT8315的高整合度，進一步簡化了多種應用領域的高壓輸入和雙極性輸出電路的設計。
本文介紹了兩種適用於30 V至400 V寬輸入範圍的雙極性轉換器解決方案：一種是隔離型，另一種是非隔離型。LT8315同時適用於這兩種方案，因為它內建高壓整合式MOSFET和高壓啟動電路，無需光耦合器反饋回路。該元件的其他特性還包括低漣波Burst Mode®工作、軟啟動、可編程電流限制、欠壓鎖住、溫度補償和低靜態電流。LT8315的高整合度，進一步簡化了多種應用領域的高壓輸入和雙極性輸出電路的設計。
