LT3573：无光电耦合器的隔离反激式转换器的卓越设计与应用

引言

在电子工程师的日常设计中，隔离反激式转换器是一个常见且关键的组件。今天，我们将深入探讨Linear Technology的LT3573，这是一款专为隔离反激拓扑设计的单片开关稳压器，它无需光耦合器或变压器第三绕组即可实现稳压，为工程师们提供了一种高效、简洁的解决方案。

文件下载：LT3573.pdf

LT3573的特性与优势

电气特性

• 宽输入电压范围：支持3V至40V的输入电压，适应多种电源环境。
• 集成NPN功率开关：内置1.25A、60V的NPN功率开关，减少外部组件数量，简化设计。
• 边界模式操作：采用边界模式控制方法，在连续传导模式和不连续传导模式之间的边界运行，提高负载调节能力，减少寄生电阻压降导致的负载调节误差，同时允许使用更小的变压器，避免次谐波振荡。
• 无需光耦合器或第三绕组：通过检测初级侧反激脉冲波形获取隔离输出电压信息，降低成本和电源物理尺寸，避免光耦合器的动态响应、非线性、单元间变化和老化等问题。
• 可编程功能：支持可编程软启动和功率开关电流限制，增强设计的灵活性。

封装与散热

采用热增强型16引脚MSOP封装，散热性能良好，热阻参数为(theta{JA}=50^{circ} C / W)，(theta{JC}=10^{circ} C / W)，确保在高功率应用中能有效散热。

工作原理

输出电压检测

LT3573通过检测初级侧反激脉冲波形来获取隔离输出电压信息。当输出开关关闭时，其集电极电压上升，反激脉冲的幅度与输出电压、二极管正向电压、变压器匝数比等因素有关。通过外部电阻RREF和RFB将反激电压转换为电流，进而形成接地参考电压，输入到反激误差放大器进行采样和比较。

边界模式控制

在边界模式下，开关在电感电流达到VC引脚控制的电流限制时关闭，当次级侧绕组电流降为零时，开关再次开启。这种模式使得次级电流在每个周期都能归零，减少寄生电阻压降对负载调节的影响，同时允许使用更小的变压器。

温度补偿

为补偿二极管正向压降的负温度系数，通过在TC引脚连接一个电阻到地，产生一个与绝对温度成正比的电流源，注入到RREF节点，从而实现输出电压的温度补偿。

应用信息

误差放大器理论

• 伪DC理论：通过RREF和RFB电阻编程输出电压，反激误差放大器在次级侧绕组电流为零时采样输出电压信息，利用带隙电压作为参考电压，通过反馈调节使RREF电阻上的电压接近带隙参考电压，从而实现输出电压的稳定。
• 动态理论：由于反馈环路的采样特性，需要满足一些时序信号和约束条件。例如，为保证采样时间，初级侧磁化电感必须大于一定值；为避免变压器漏感引起的电压尖峰影响输出调节，引入了150ns的固定延迟进行消隐。

变压器设计

• 匝数比选择：选择合适的变压器匝数比可以最大化可用输出功率，但需要考虑SW引脚的电压限制，避免内部功率开关击穿。对于低输出电压，可使用N:1匝数比以提高变压器的电流增益；对于低输出功率，可选择1:1或1:N变压器以减小尺寸。
• 漏感处理：变压器漏感会导致输出开关关闭后在初级侧出现电压尖峰，通常需要使用RCD钳位电路来防止功率器件过压击穿。选择合适的钳位二极管至关重要，应确保漏感尖峰始终低于60V。
• 绕组电阻影响：初级或次级绕组的电阻会降低整体效率，但由于LT3573的边界模式操作，输出电压调节不受绕组电阻影响。

其他设计考虑

• 电流限制电阻设置：通过在RILIM引脚和地之间连接一个电阻来设置最大电流限制，提供了选择标准变压器的灵活性。
• 欠压锁定（UVLO）：SHDN/UVLO引脚连接到电阻分压器，用于设置LT3573的最小输入电压。通过调节电阻值可以实现用户可调的滞后特性。
• 最小负载要求：LT3573需要定期开启以采样输出电压，因此输出需要有1%至2%的最大负载作为最小负载。
• BIAS引脚考虑：对于输入电压小于15V的应用，BIAS引脚通常直接连接到VIN引脚；对于输入电压大于15V的应用，建议将BIAS引脚与VIN引脚分开，通过内部LDO将BIAS引脚电压调节到3V，以减小电容器的物理尺寸。
• 环路补偿：使用外部电阻 - 电容网络在VC引脚进行补偿，典型值为(R{C}=50 k)和(C{C}=1 nF)。选择合适的RC值对于提高系统的稳定性和瞬态性能至关重要。

设计示例

以一个输入电压为20V至28V，输出为5V、1A的转换器设计为例，详细介绍了设计步骤：

1. 选择变压器匝数比：根据开关电压应力和输出电流能力，选择初级:次级:BIAS = 3:1:1的匝数比。
2. 选择变压器初级电感：为满足输出电压采样时间要求，计算最小初级电感，并根据目标开关频率选择合适的电感值。
3. 选择输出二极管和输出电容：根据输出电压和负载电流选择合适的输出二极管和输出电容，以减小输出电压纹波。
4. 选择缓冲电路：使用RCD缓冲电路来钳位开关电压尖峰，调整缓冲电阻以控制尖峰幅度和持续时间。
5. 选择反馈电阻：根据输出电压要求，使用电阻表选择合适的反馈电阻RFB，并调整RTC电阻进行温度补偿。
6. 优化补偿网络：调整补偿网络以提高系统的瞬态性能，选择合适的补偿电容和电阻。
7. 选择电流限制电阻、软启动电容和UVLO电阻分压器：根据设计需求选择合适的电流限制电阻、软启动电容和UVLO电阻分压器。

典型应用

文档中提供了多种典型应用电路，包括不同输入输出电压、功率的隔离反激式转换器，如5V、±12V、3.3V、12V、300V等输出的转换器，为工程师们提供了丰富的设计参考。

总结

LT3573作为一款无光电耦合器的隔离反激式转换器，具有诸多优势，如宽输入电压范围、集成功率开关、边界模式操作、可编程功能等。在设计过程中，需要综合考虑变压器设计、误差放大器理论、温度补偿、电流限制、欠压锁定等因素，以实现高效、稳定的电源设计。通过本文的介绍，相信电子工程师们对LT3573有了更深入的了解，能够更好地应用这款芯片进行电源设计。你在使用LT3573进行设计时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。