怎样设计一款隔离型、高频、推挽式 DC/DC 转换器

本文作者：

Dawson Huang

凌力尔特公司  电源产品部 应用工程师

具固定 50% 占空比的简单推挽式 DC/DC 转换器常常在通信系统、医疗仪器和分布式电源中用作低噪声变压器驱动器。这种简单的解决方案不提供电压调节，需要一个低压差 (LDO) 后置稳压器，这种组合可能产生严重问题。首先，在固定 50% 占空比条件下，驱动器输入电压有任何大的变化都可能导致 LDO 两端电压差增大，从而造成 LDO 有明显的功率损耗和高温升。其次，低开关频率需要相对笨重的变压器，有时所占空间为转换器的 30% 至 50%。

LT3999 单片 DC/DC 推挽式驱动器具备两种重要特点，避免了上述问题。这两个特点是：占空比控制和高频工作。

• 占空比控制允许针对很宽 V_IN 变化进行补偿 (这是标准固定占空比变压器驱动器做不到的)，在面对很宽的输入范围时，极大地降低了 LDO 损耗。
• 高达 1MHz 的高开关频率允许使用更小的变压器，输出纹波也较低。

LT3999 还具备 36V 输入电压和 1A 输入电流能力，从而成为大功率且灵活的低噪声推挽式转换器 IC。

本文一步一步地探讨两种设计程序：一种面向具备宽输入范围的推挽式 DC/DC 转换器，另一种面向具备固定输入电压的紧凑型高频变压器驱动器。

面向宽范围输入的推挽式 DC/DC 转换器设计

图 1b 所示的流程图显示了怎样以 8 个简单的步骤设计推挽式转换器。按照这些步骤、采用 LT3999设计出了图 1a 所示的 10V ~ 15V 输入、±12V 输出、200mA、1MHz 推挽式转换器。

(a)

 (b)

图 1：(a) 具备宽输入范围和占空比控制的 LT3999 推挽式 DC/DC 转换器；(b) 8 个简单的推挽式转换器设计步骤

步骤 1：设定开关频率 (R_T)

首先，用 R_T 设定开关频率；其电阻值从 LT3999 数据表的表 1 中选定。

R_T = 12.1k 设定 f_SW = 1MHz。

步骤 2：设定输入电压范围 (UVLO、OVLO/DC)

UVLO (欠压闭锁) 和 OVLO/DC (过压闭锁/占空比) 引脚用来设定输入电压范围。可以采用双电阻器或 3 电阻器的方法。对于图 2a 所示的双电阻器方法而言，分别用针对 UVLO 和 OVLO/DC 的等式 1 和等式 2 计算出 R_B。就低损耗情况而言，我们可以假设定 R_A = 1MΩ。

针对 UVLO: (1)

针对 OVLO:      (2)  

就图 2b 所示的 3 电阻器方法而言，分别用针对 UVLO 和 OVLO/DC 的等式 3 和等式 4 计算出 R_A1 和 R_B。R_A2 可以选定为 1MΩ 左右。

图 2：采用 (a) 双电阻器方法或 (b) 3 电阻器方法，通过电阻分压器设定精确的 UVLO 和 OVLO/DC

              (3)

        (4)

就图 1a 采用的双电阻器方法而言：

V_IN(MIN) = 10V, R_A = 1M, R_B = 143k.

V_IN(MAX) = 15.5V, R_A = 1M, R_B = 86.6k.

步骤 3：设定最大占空比 (R_DC(MAX))

最大占空比 (DC_MAX) 由开关周期 (T_S = 1/f_SW) 和两个电源开关之间的非重叠时间 (T_D(MIN)) 决定，如等式 5 所示。就双电阻器方法而言，R_DC 由等式 6 计算得出。就 3 电阻器方法而言，将 R_A = R_A1 + R_A2 代入等式 6。

                     (5)

            (6)

在图 1(a) 所举例子中，T_S = 1µs，T_D(MIN) = 70ns (数据表中的典型值)，V_IN(MIN) = 10V，R_A = 1M，R_B = 143k。根据等式 5 和等式 6 的计算结果，得出 DC_MAX = 0.43，R_DC = 13.3k。

步骤 4：选择变压器 (T1)

等式 7 表示变压器匝数比。

          (7)

V_SW 是内部开关的开关饱和电压。V_F 是整流二极管的正向电压。V_LDO1 和 V_LDO2 是正和负 LDO 的压差电压。V_SW = 0.4V、V_F = 0.7V、V_LDO1 = V_LDO2 = 0.8V 是非常实用的经验法则。如果找不到匝数比与计算值准确相同的商用变压器，就选择一个匝数比接近的变压器，并相应地用等式 7 计算 DC_MAX。然后，基于新的 DC_MAX 值，用等式 6 重新计算 R_DC。

在图 1(a) 例子中，V_OUT1 = -V_OUT2 = 12V，V_IN(MIN) = 10V，因此在 DC_MAX = 0.43 的情况下，选择 Wurth 750314781 (N = 2)。

步骤 5：设计整流器 (D1、D2、D3 和 D4)

桥式整流器两端的峰值电