Расширение входного напряжения безоптронного изолированного обратноходового преобразователя

№ 3’2020
PDF версия
В стандартных изолированных высоковольтных обратноходовых преобразователях точная стабилизация напряжения осуществляется за счет использования оптронов, которые позволяют передавать информацию о напряжении вторичной обмотки в схему первичной обмотки. Но проблема здесь заключается в том, что оптроны значительно усложняют проектирование изолированных преобразователей: они вносят задержку распространения, деградируют со временем и могут менять коэффициент усиления — все это усложняет компенсацию контура питания и приводит к снижению надежности. Кроме того, во время включения устройства для активации микросхемы требуется либо стабилизирующий нагрузочный резистор, либо пусковая высоковольтная цепь. При этом если к пусковым компонентам не подключить дополнительный высоковольтный полевой МОП-транзистор, то стабилизирующий нагрузочный резистор станет источником нежелательных потерь мощности.

LT8316 представляет собой малопотребляющий контроллер высоковольтного обратноходового преобразователя, для которого не требуются оптрон, сложная опорная схема вторичной обмотки или дополнительные пусковые компоненты.

 

Расширение входного напряжения

Микросхема LT8316 имеет стойкий к высоким температурам 20-выводной корпус TSSOP с четырьмя удаленными выводами для обеспечения разнесения линий высокого напряжения. За счет измерения выходного напряжения с изолированного выхода третьей обмотки силового трансформатора в схеме не требуется оптопара. Выходное напряжение программируется с помощью двух внешних резисторов и третьего дополнительного резистора компенсации температуры. Работа в квазирезонансном граничном режиме позволяет добиться превосходной стабильности выходного напряжения, малых потерь на переключение, особенно при высоком входном напряжении, а также использовать компактные трансформаторы. Поскольку выходное напряжение измеряется тогда, когда ток во вторичной обмотке практически равен нулю, исключена потребность во внешних резисторах и конденсаторах, необходимых для компенсации нагрузки. В результате решение на основе LT8316 будет иметь небольшое количество компонентов, что значительно упростит конструкцию изолированного обратноходового преобразователя (рис. 1).

Полноценный изолированный обратноходовой преобразователь с выходным напряжением 12 В, широким диапазоном входного напряжения 20–800 В и минимальным пусковым напряжением 260 В

Рис. 1. Полноценный изолированный обратноходовой преобразователь с выходным напряжением 12 В, широким диапазоном входного напряжения 20–800 В и минимальным пусковым напряжением 260 В

LT8316 рассчитан на работу с входным напряжением до 600 В, но его можно увеличить, если последовательно к выводу VIN подключить стабилитрон. Падение напряжения на стабилитроне снижает напряжение, подаваемое на микросхему, благодаря чему входное напряжение может превышать 600 В.

На рис. 1 показана полная схема обратноходового преобразователя с широким диапазоном входного напряжения 18–800 В. Рекомендации по выбору компонентов приведены в технической документации на LT8316. После подключения последовательно к выводу VIN стабилитрона, рассчитанного на 220 В, минимальное пусковое напряжение составит ±260 В (в зависимости от допуска по напряжению стабилитрона). Обратите внимание, что после включения LT8316 будет нормально работать при входном напряжении ниже 260 В.

На рис. 2 представлены графики КПД при различных входных напряжениях, при этом обратноходовой преобразователь достигает максимального КПД 91%. Даже без оптрона качество стабилизации выходного напряжения при различных входных напряжениях, как показано на рис. 3, остается очень высоким.

КПД обратноходового преобразователя, представленного на рис. 1

Рис. 2. КПД обратноходового преобразователя, представленного на рис. 1

Выходное напряжение обратноходового преобразователя, представленного на рис. 1

Рис. 3. Выходное напряжение обратноходового преобразователя, представленного на рис. 1

 

Схема преобразователя с низким пусковым напряжением

Предыдущая схема позволила нам увеличить входное напряжение до 800 В, но в этом случае стабилитрон повышает минимальное пусковое напряжение до 260 В. Сложность заключается в том, что для некоторых приложений необходимо обеспечить как высокое входное напряжение, так и низкое пусковое напряжение.

Альтернативное решение, поддерживающее максимальное входное напряжение 800 В, представлено на рис. 4. В этой схеме используются стабилитроны и транзистор, которые формируют стабилизатор напряжения. При этом входное напряжение может безопасно доходить до 800 В, поскольку на линии VIN будет присутствовать стабилизированное напряжение около 560 В. Преимущество данной схемы состоит в том, что она позволяет включать LT8316 при более низком входном напряжении.

Схема изолированного обратноходового преобразователя с низким пусковым напряжением: входное напряжение 20–800 В, выходное напряжение 12 В

Рис. 4. Схема изолированного обратноходового преобразователя с низким пусковым напряжением: входное напряжение 20–800 В, выходное напряжение 12 В

 

Неизолированный понижающий преобразователь

Возможность подавать на вход LT8316 высокое напряжение является преимуществом при создании простого неизолированного понижающего преобразователя, в котором не требуется изолированный трансформатор. В качестве магнитного компонента можно использовать относительно недорогой обще­доступный дроссель.

Для построения неизолированного понижающего преобразователя вывод заземления LT8316 подсоединяют к истоку (эмиттеру) ключа, на котором изменяется напряжение. Уникальная схема измерения напряжения LT8316 регистрирует выходное напряжение только тогда, когда исток ключа подключен к «земле», что образует простую схему понижающего преобразователя.

Как и в случае с обратноходовым преобразователем, входное напряжение понижающего преобразователя может быть расширено. На рис. 5 показана схема понижающего преобразователя с входным напряжением до 800 В.

Схема неизолированного понижающего преобразователя с входным напряжением до 800 В

Рис. 5. Схема неизолированного понижающего преобразователя с входным напряжением до 800 В

Стабилитрон на 220 В подключается между линией входного напряжения и выводом VIN контроллера LT8316. Минимальное пусковое напряжение составляет около 260 В с учетом допуска по напряжению стабилитрона. После включения LT8316 продолжает нормально работать при более низком входном напряжении. На рис. 6 даны графики КПД при различных входных напряжениях, при этом понижающий преобразователь достигает максимального КПД 91%. Качество стабилизации выходного напряжения преобразователя показано на рис. 7.

КПД понижающего преобразователя, представленного на рис. 5

Рис. 6. КПД понижающего преобразователя, представленного на рис. 5

Выходное напряжение понижающего преобразователя, представленного на рис. 5

Рис. 7. Выходное напряжение понижающего преобразователя, представленного на рис. 5

Как и в случае с обратноходовым преобразователем, представленным на рис. 4, между линией входного напряжения и выводом VIN может быть подсоединен стабилизатор напряжения для обеспечения низкого пускового напряжения. Следует отметить, что между выводом GND и выводом VIN имеется внутренний диод, который повышает напряжение эмиттера транзистора и вызывает пробой перехода база-эмиттер. Чтобы не допустить этого, в схеме используются два диода для защиты транзистора. Такое решение с низким пусковым напряжением показано на рис. 8.

Схема неизолированного понижающего преобразователя с низким пусковым напряжением и максимальным входным напряжением 800 В

Рис. 8. Схема неизолированного понижающего преобразователя с низким пусковым напряжением и максимальным входным напряжением 800 В

 

Заключение

LT8316 работает в квазирезонансном граничном режиме, и при этом для качественной стабилизации напряжения не требуется оптрон. Устройство обладает и другими полезными функциями и особенностями, такими как режим Burst Mode, обеспечивающий низкий уровень пульсаций, плавный пуск, программируемое ограничение тока, защита от защелкивания при низких напряжениях, температурная компенсация и низкий ток покоя. Высокий уровень интеграции, позволяющий использовать малое количество компонентов, упрощает разработку решений с высоким КПД, которые могут использоваться в различных областях применения от систем с батарейным питанием до автомобильных, промышленных, медицинских, телекоммуникационных источников питания, а также изолированных вспомогательных/резервных источников питания.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *