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简化多输出隔离DC-DC转换器设计的栅极驱动变压器

畅学电子    2015/2/24  

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通常情况下,设计隔离式DC-DC转换器时遇到的xx阻碍便是变压器设计,设计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)下有低损耗的磁芯可支持一般的10V~15V初级电压,且在100kHz~500kHz开关频率时有500ns~5μs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。xx,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。

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,从而产生大量输出电压/电流的组合。

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xx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、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xx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。

增加的凌力尔特公司LTC6900时钟源(IC2)用于xx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、低漏电电感及肖特基桥式整流器,即使用了低值(1μF)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。

从这些测量结果可看出,满载是产生500mA峰值初电流时的负载。这是当RLIM为1kΩ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量,这些能量传递到次级绕组,提高了所测得的输出电压。

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95VμsecxxET乘积。这个计算结果是初级绕组上施加的xx电压与该电压所持续xx时间(导通时间)的乘积。由于MAX13256是以xx的50%占空比驱动变压器初级,xxET乘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5μs,所以xxET乘积为75Vμsec,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%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。

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93.75mW。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。

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℃。

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xxVμsec规范。

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