基于LTC3765/LTC3766的有源鉗位正激變換器

陳　楠，　蘭中文，　柴　治，　孫　科，　余　忠(.電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川成都60054；2.國網(wǎng)四川省電力公司技能培訓(xùn)中心輸配電線路培訓(xùn)室，四川成都6；.四川大學(xué)計算機學(xué)院，四川成都60064)

基于LTC3765/LTC3766的有源鉗位正激變換器

陳楠1,2，蘭中文1，柴治3，孫科1，余忠1
(1.電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川成都610054；2.國網(wǎng)四川省電力公司技能培訓(xùn)中心輸配電線路培訓(xùn)室，四川成都611133；3.四川大學(xué)計算機學(xué)院，四川成都610064)

LTC3765與同步整流驅(qū)動芯片LTC3766配合使用，克服了傳統(tǒng)有源鉗位正激變換器磁心易飽和的缺點，組成了優(yōu)秀的有源鉗位正激變換器，可以適應(yīng)多種應(yīng)用需求。介紹了LTC3765/LTC3766芯片組的功能和電路設(shè)計過程，通過理論分析和實驗結(jié)果驗證了所設(shè)計電路的可行性。

變換器；有源鉗位正激；同步整流

DC/DC變換器作為開關(guān)電源的核心，是將一種直流電源變換為另一種具有不同輸出特性的直流電源。由于DC/DC變換器具有容易控制、運行穩(wěn)定、工作效率高等優(yōu)點，在日常生活、工業(yè)和國防等方面均有著廣泛的應(yīng)用[1]。

正激變換器是應(yīng)用非常廣泛的一種隔離型DC/DC變換器，特別適用于中小功率場合[2-3]。有源鉗位正激變換器則是正激變換器中性能較佳的一種，其復(fù)位時間的利用率較高，開關(guān)管的電壓應(yīng)力較低，占空比可以大于50％，具有很強的寬范圍適應(yīng)性。另外，由于次級同步整流技術(shù)的應(yīng)用以及一定程度的軟開關(guān)優(yōu)勢，有源鉗位正激變換器成為中小功率DC/DC變換器的較佳候選拓撲[4]。然而采用傳統(tǒng)方式的有源鉗位正激變換器，一旦輸入電壓或輸出負載出現(xiàn)大的波動，變壓器就很容易出現(xiàn)飽和，進而導(dǎo)致整個變換器失效。本文介紹了基于凌力爾特第二代芯片組LTC3765/LTC3766設(shè)計的一種新型有源鉗位正激變換器，該變換器具有有源鉗位復(fù)位和直接磁通量控制技術(shù)(direct flux limit)，可確保在任何情況下杜絕電源變壓器飽和現(xiàn)象的發(fā)生，在保持優(yōu)異瞬態(tài)響應(yīng)性能的同時又可提高

1 原理與設(shè)計

1.1系統(tǒng)工作原理

本文以LTC3765/LTC3766芯片組為核心控制部件，設(shè)計了一款工作頻率fsw在240 kHz，輸入電壓Vin為16～36 V，輸出電壓Vo為5 V，輸出電流Io為12 A的DC/DC變換器。LTC3-765是一款主端智能控制器，與LTC3766配合使用時，可構(gòu)成簡單的自啟動隔離變換器。啟動后，LTC3765通過小型脈沖變壓器從LTC3766副端控制器接收時鐘信號并對電源施加偏置。副端控制將控制中心置于負載附近，從而確保輸出電壓和電流可靠控制，同時提供了極快的瞬態(tài)響應(yīng)[5]。

1.2變壓器設(shè)計

為了達到更高功率密度和更高效率，平面變壓器選用Pulse公司變壓器。選擇成品系列變壓器時主要考慮兩點：(1)隔離要求；(2)功率等級要求。功率等級方面，選擇的變壓器功率等級必須大于目標設(shè)計的輸出功率等級，留有一定的裕量，因為在產(chǎn)品運行當中，電子系統(tǒng)的功率需求會不斷增加。

變壓器次級繞組Ns可以通過式(1)計算：

變壓器的初次級匝數(shù)比為：

對照Pulse公司的磁心資料，選取該公司PA08xx系列的磁心型號。該系列磁心的橫截面積Ac為0.59 cm2，Bm為0.2 T，最大占空比Dmax為0.65，VD為導(dǎo)通壓降0.5 V。通過式(1)得出Ns=1.76匝，這里選取次級匝數(shù)為2匝，初級匝數(shù)Np=4。最終確定選用Pulse公司PA0806型號的平面變壓器。

1.3輸出濾波電感設(shè)計

輸出濾波電感的設(shè)計實質(zhì)上和Buck變換器輸出電感的設(shè)計一樣。對于一個確定了輸入電壓和輸出電壓的方案，輸出電感的電感值和電路工作頻率決定了紋波電流的大?。?/p>

在標稱輸入電壓下，設(shè)置合理的紋波電流起始值為ΔIL= 0.3Ioutmax。最大的紋波電流值發(fā)生在最大輸入電壓的時候。由此可知當ΔIL=3.6 A時，輸出濾波電感值由式(3)可得：Lo=4 mH。選用Pulse公司的PA1494.442型號的輸出濾波電感器。

1.4直接磁通量限制

在有源鉗位正激變換器中，有必要建立對變壓器磁通密度的精確限制，避免在負載轉(zhuǎn)移或是啟動進入預(yù)偏置輸出時磁心飽和。雖然傳統(tǒng)的有源鉗位方式在穩(wěn)態(tài)工作期間能夠提供一個合適的復(fù)位電壓，但是在響應(yīng)預(yù)偏置輸出時占空比的突然增加，亦或是負載變化都可以使變壓器磁通累積或者轉(zhuǎn)移，進而引起變壓器的潛在飽和。

LTC3765和LTC3766構(gòu)成的隔離正向轉(zhuǎn)換器方案采用了一種新型獨特的系統(tǒng)來監(jiān)視和直接限制變壓器磁心中磁通的累積。在一個復(fù)位周期中，當鉗位開關(guān)管導(dǎo)通，勵磁電流由一個連接至鉗位開關(guān)管源極的電阻Rmag檢測。此電阻上的電壓由LTC3765上的引腳Ismag取樣，如圖1所示。假如檢測出Ismag引腳上的電壓低于－1 V，鉗位開關(guān)管就關(guān)斷。因此Ismag引腳直接監(jiān)視并限制勵磁電流以防止磁心在反方向飽和。

圖1　變壓器飽和電流檢測原理

選擇勵磁電流檢測電阻值來限制變壓器飽和電流：

其中變壓器飽和電流可以估算如下：

由以上兩式選擇精度為1％，封裝0805，阻值為0.75 Ω的貼片電阻。

1.5過流檢測及平均電流限制

當LTC3766使用電流檢測電阻方式時，IS+和IS－引腳端工作在差動模式，最大峰值電流閾值約為75 mA。通常情況下，電流檢測電阻被放置在整流MOSFET管的源極，如圖2。通常情況下，為了對IS+和IS－引腳的噪聲過濾，需要加入一個濾波網(wǎng)絡(luò)。圖2中的濾波網(wǎng)絡(luò)在消除引腳端口噪聲的同時，基本上不影響當前的環(huán)路響應(yīng)。

圖2　電流檢測電阻檢測電流

這個濾波器也有助于校正檢測電阻的寄生電感(ESL)所帶來的影響。如果RC濾波器如式(6)選擇，則ESL的效果影響可被忽略。

由于LTC3766實現(xiàn)了平均電流限制架構(gòu)，選擇電流檢測電阻Rsense1應(yīng)基于所需的平均電流限制值ILIM(AVG)：

綜上所述，濾波網(wǎng)絡(luò)中RFL1=100 Ω，CFL1=470 pF，器件選擇如LTC3765中過流檢測濾波電路。電流檢測電阻Rsense1=4 mΩ，選用封裝2512的貼片合金電阻。

1.6小型脈沖變壓器選取

LTC3765/LTC3766構(gòu)成的有源鉗位正激變換器用一個小型的脈沖變壓器取代了光耦隔離器，作為次級控制器LTC3766和初級側(cè)柵極驅(qū)動器之間的通信鏈路，如圖3所示。此外，LTC3765還包含一個橋式整流器，其從脈沖變壓器提取偏置功率，然后用它來驅(qū)動初級MOSFET的柵極。

圖3　脈沖變壓器連接電路原理

小型脈沖變壓器的匝數(shù)比設(shè)定為：

圖3中的C3和C1電容器用于阻斷和恢復(fù)直流電平信號，分別取值1、0.1 μF。在LTC3765的IN+/IN－輸入端口的RC緩沖器必須盡量減少由于脈沖變壓器的漏電感引起的振鈴。其中，C2=220 pF，電阻R=100 Ω。

2 實驗結(jié)果

模塊電源的實物展示如圖4。

圖4　模塊電源實物

圖5是變換器主開關(guān)管的柵極驅(qū)動波形(1通道)和漏源端(DS)的波形(2通道)。從實驗波形中可以看出，主開關(guān)管關(guān)斷以后，鉗位電路很好地將主開關(guān)管上的反向電壓鉗位住了，主功率開關(guān)管上的電壓應(yīng)力因而減小，這充分體現(xiàn)了有源鉗位電路對開關(guān)器件應(yīng)力要求低的優(yōu)點。

圖5　主功率開關(guān)管的柵極驅(qū)動和DS端波形

圖6是電源模塊的效率測試曲線，其中圖6(a)是在16、28、36 V輸入電壓下，電源模塊隨著負載變化而表現(xiàn)出來的效率曲線。電源模塊在典型輸入電壓28 V、輸出電流7.01 A時最高轉(zhuǎn)換效率為93.5％。在典型輸入電壓28 V、滿載下(Io=12 A)的變換器效率為92.4％。圖6(b)是電源模塊在滿載時不同輸入電壓下的效率曲線。輸入電壓36 V時的轉(zhuǎn)換效率大于16和28 V時的轉(zhuǎn)換效率，可以推斷出最大輸入電壓36 V時，由于實現(xiàn)了零電壓開關(guān)，開關(guān)管的損耗隨著電壓上升并不會明顯增加，因此效率上升。

3 結(jié)論

LTC3765/LTC3766芯片組形成了一個相對簡單的有源鉗位隔離型正激變換器，其獨有的直接磁通變壓器限制功能，能可靠地保護變換器并實現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)，同時還減少了組件數(shù)。與傳統(tǒng)DC/DC變換器相比，LTC3766實現(xiàn)了一種獨特的平均電流限制電路，該電路通過監(jiān)視輸入和輸出電流以及輸出電壓，并進行快速和逐周期糾正，以保持平均輸出電流的恒定。LTC3765/LTC3766有源鉗位正激變換器為高可靠性應(yīng)用提供了前所未有的靈活性，非常適合于電信、數(shù)據(jù)通信和工業(yè)中的應(yīng)用。

圖6　電源模塊效率曲線

[1]陳堅.電力電子學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2002:208-215.

[2]潘尚志，錢照明，雷娜.一種通用的新型單/雙正激型直流變換器電路仿真平均模型[J].中國電機工程學(xué)報，2001，21(6):58-62.

[3]張方華，王慧貞，嚴仰光．推挽正激整流及其應(yīng)用[J]．中國電機工程學(xué)報，2004，24(4):168-173.

[4]顧亦磊，呂征宇，錢照明.中小功率系統(tǒng)集成DC/DC標準模塊的一族候選拓撲[J].中國電機工程學(xué)報，2005，25(10):45-49.

[5]HAUG B.一種易于建立的高性能、高可靠性隔離式電源[J].今日電子，2012，10:42-44.

Active clamp forward converter based on LTC3765 and LTC3766

CHEN Nan1,2,LAN Zhong-wen1,CHAI Zhi3,SUN Ke1,YU Zhong1
(1.State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu Sichuan 610054,China;2.Transmission and Distribution Line Training Department,Skills Training Center of State Grid Sichuan Electric Power Company,Chengdu Sichuan 611133,China;3.College of Computer Science,Sichuan University,Chengdu Sichuan 610064,China)

Core saturation of traditional active clamp forward converter was overcome by LTC3766,a synchronous rectifier driver chip together with LTC3765.Excellent active clamp forward converter was constituted by these two chips,which could meet a variety of application needs.The features of LTC3765/LTC3766 and the circuit design process were described.The feasibility of the circuit design was proved by both the theoretical analysis and the experimental results.

converter;active clamp forward;synchronous rectifier

TM 46

A

1002-087 X(2016)01-0189-03

2015-06-12

陳楠(1987－)，男，四川省人，碩士研究生，主要研究方向為開關(guān)電源控制技術(shù)。

蘭中文，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：zwlan@uestc.edu. cn；柴治，E-mail：chaizhi_6392@qq.com。變換器整體運行的穩(wěn)定性。