LT3710：隔离式DC/DC转换器的高效辅助输出解决方案

在电子工程师的日常设计中，隔离式DC/DC转换器的设计是一个常见且具有挑战性的任务。特别是在需要多个输出的情况下，如何高效、稳定地实现辅助输出是关键。今天，我们就来深入探讨一下Linear Technology的LT3710，一款专门为隔离式DC/DC转换器辅助输出设计的高性能同步后级调节器。

文件下载：LT3710.pdf

一、LT3710的特性亮点

1. 高效辅助输出生成

LT3710能够在隔离式DC/DC转换器中生成稳定的辅助输出，采用双N沟道MOSFET同步驱动，实现了高效率的功率转换。其高精度的0.8V ±1.5%电压基准，为输出电压的稳定提供了坚实保障。

2. 灵活的可编程特性

具备可编程电流限制保护和软启动功能。可编程电流限制可以根据实际应用需求设置最大输出电流，保护电路免受过载损坏；可编程软启动则能有效降低启动时的电流冲击，提高系统的可靠性。

3. 高开关频率与同步功能

支持高达500kHz的高开关频率，有助于减小外部电感和电容的尺寸，从而降低系统成本和体积。同时，它还具备自动频率同步功能，可与变压器次级绕组的下降沿同步，适用于单端和双端隔离式电源转换器拓扑。

4. 紧凑的封装设计

采用16引脚热增强型TSSOP封装，不仅节省了电路板空间，还能有效散热，提高了系统的稳定性和可靠性。

二、应用场景广泛

1. 48V隔离式DC/DC转换器

在通信、工业自动化等领域，48V隔离式DC/DC转换器应用广泛。LT3710可以为其提供稳定的辅助输出，满足系统中不同模块的供电需求。

2. 多输出电源

对于需要多个输出电压的电源系统，LT3710可以通过并行处理输出功率，直接调节辅助输出，避免了使用多个次级绕组或级联调节器带来的问题，提高了系统效率和性能。

3. 离线式转换器

在离线式电源设计中，LT3710同样能够发挥重要作用，为系统提供高效、稳定的辅助电源。

三、工作原理剖析

1. 基本功能模块

从框图可以看出，LT3710主要包括电压放大器（VA）、电压模式PWM、电流限制放大器（CA1）和高速同步开关驱动器等基本功能模块。电压放大器用于将输出电压调节在典型的1.5%以内；电压模式PWM采用后沿同步和前沿调制方式；电流限制放大器则用于限制输出电流，保护电路安全。

2. 工作过程

在正常工作时，开关周期从变压器次级电压(VS)的下降沿开始。内部振荡器复位，顶部MOSFET M1关闭，底部MOSFET M2开启，电感电流由输出电压(V{OUT2})放电。当斜坡信号与反馈误差放大器输出(VAOUT)相交时，顶部MOSFET M1开启，电感电流由(VS - V{OUT2})充电。当次级电压变为零时，降压电路的有效导通时间结束，下一个周期重复。

四、设计要点与注意事项

1. 同步与振荡频率设置

为了实现正确的同步，振荡器频率(f{OSC})应设置为低于系统开关频率，并考虑一定的公差。计算公式为(f{OSC} < (f{SL} cdot 0.8))，其中(f{SL})是系统开关频率的下限。确定(f{OSC})后，可以通过(CSET = (107250 pf / f{OSC(kHz)}) - 50 pF)计算CSET电容的值。

2. 输出N沟道MOSFET驱动器

LT3710采用高速N沟道MOSFET同步驱动器，GBIAS为8V调节器输出，用于偏置和供电驱动器，需要使用低ESR电容进行适当的旁路。开关节点需要使用肖特基钳位二极管。

3. 轻载运行

如果BGS引脚接地，LT3710除了在软启动操作外，将独立于负载条件保持连续模式。如果BGS引脚悬空，在轻载且(V_{RS1})下降到8mV以下时，BGATE将关闭，LT3710进入不连续模式运行，提高轻载效率。

4. 电流限制

电流限制由跨(CL^{+})和(CL^{-})的70mV阈值设置，通过连接外部电阻RS1，可以将电流限制设置为(70 mV / R_{S1})。如果不使用电流限制功能，应将(CL^{+})和(CL^{-})接地，并将BGS引脚接地以禁用比较器CA2。

5. 软启动与关机

在软启动期间，VSS作为参考电压控制输出电压，输出电压跟随(V{SS})上升。输出达到编程水平的典型时间为((C cdot 0.8V) / 10µA)。启动时，BGATE将保持关闭，直到(V{SS})达到1.6V，防止底部MOSFET在输出预充电时开启。关机时，应通过VN2222型N沟道晶体管将SS引脚拉至50mV以下。

6. 布局考虑

为了实现最大效率，开关的上升和下降时间应小于20ns。为了防止辐射，功率MOSFET、SW引脚和输入旁路电容的引线应尽可能短。在开关电路下方使用接地平面，以防止层间耦合并作为热扩散路径。注意，封装的底部金属既是散热器又是IC信号接地，必须焊接到接地平面上。

7. 输出电压编程

反馈参考电压为0.8V，通过电阻分压器R3和R4可以轻松编程输出电压，计算公式为(V_{OUT2} = 0.8 cdot (1 + frac{R3}{R4}))。

8. SYNC输入滤波

在LT3710的SYNC输入上添加RC滤波是必要的，以消除顶部MOSFET开启时的负毛刺。典型的滤波电路参数为(R{S} = 10 k)和(C{S} = 10 pF)。

9. 输出电感选择

选择电感时，关键参数包括电感值、RMS和饱和电流额定值以及DCR。电感值应选择为实现合理的纹波电流，通常设计电感纹波电流为最大输出电流的20% - 40%。RMS电流额定值应足够高以提供最大输出电流，饱和电流额定值应防止电感磁芯饱和。为了优化效率，在电感值和电流额定值相同的情况下，通常选择DCR最小的电感。

10. 功率MOSFET选择

LT3710驱动两个外部N沟道MOSFET以实现高效的大电流输出。选择MOSFET时，关键参数包括漏源电压额定值(V{DSS})和6.5V栅极驱动下的(R{DS(ON)})。由于变压器次级电压波形在上升沿会因变压器漏电感和寄生电容之间的振铃而出现过冲，因此顶部和底部MOSFET的(V{DSS})必须足够高于最大过冲。建议在变压器次级绕组两端放置RC缓冲器或电压钳位电路以限制(V{S})过冲。同时，应选择(R{DS(ON)})合适且栅极电荷(Q{G})最小的MOSFET以降低功率损耗。

11. 输出电容选择

输出电容的选择取决于输出纹波和负载瞬态要求。在低输出电压应用中，应始终选择低ESR的电容。输出纹波电压近似计算公式为(Delta V{OUT} approx Delta I{L}(ESR + frac{1}{8 fC{OUT}}))，其中(Delta I{L})是电感峰 - 峰纹波电流。

五、设计实例分析

图3展示了一个LT3710的应用实例，这是一个双输出、高效率、隔离式DC/DC电源，输入电压为36V - 72V，输出为3.3V/10A和1.8V/10A（或2.5V/10A）。该电源采用2晶体管正激转换器拓扑，并具有同步整流功能。初级侧控制器使用LT3781，次级侧使用LTC1698提供3.3V输出的电压反馈和同步MOSFET的栅极驱动。1.8V输出由LT3710电路生成。该设计采用了Pulse Engineering的平面变压器PA0191，开关频率约为230kHz，并提供1500V的输入 - 输出隔离。此外，该设计还具备初级侧开/关控制、3.3V输出±5%的次级侧微调、输入过压保护和欠压锁定等功能。

六、总结

LT3710作为一款高性能的次级侧同步后级调节器，为隔离式DC/DC转换器的辅助输出设计提供了一个优秀的解决方案。它具有高效、灵活、紧凑等诸多优点，适用于多种应用场景。在设计过程中，我们需要根据具体需求合理设置各项参数，选择合适的外部元件，并注意布局和滤波等问题，以确保系统的性能和可靠性。希望本文对广大电子工程师在使用LT3710进行设计时有所帮助。大家在实际设计中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。