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高电压至±12V单芯片转换器:高效双极性稳压器解决方案
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更新于2024-08-29
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在现代工业和消费电子领域,对于高电压到低电压的转换需求日益增长,特别是在电动汽车、大型储能系统、家庭自动化、工业设备以及电信设施中。这些应用常常需要稳定的±12 V双极性电源轨,以驱动各种电路元件如放大器、传感器和数据转换器等。然而,传统的线性稳压器在面对高输入电压和低输出电压的场景时,因为散热问题而不适用,尤其是当降压比较高时。 设计紧凑、高效且工作温度范围宽(-40°C至+125°C)的双极性稳压器是一个挑战。线性稳压器的解决方案往往需要两个独立的集成电路,一个是正输出,另一个是负输出,这不仅增加了成本,还占用更多空间。为了解决这些问题,开关稳压器成为更好的选择。单个开关稳压器,例如LT8315,能从30 V至400 V的宽输入电压范围内产生±12 V的输出,同时具备高效率、良好的调节性能和适应小空间的能力。 本文着重讨论了两种简化设计,一种是利用LT8315的隔离型反激式拓扑,提供了电气隔离,提高了系统的安全性;另一种是非隔离型降压拓扑,消除了光耦合器的需求,减少了复杂性和潜在的可靠性问题。这款集成式转换器集成了630V/300mAMOSFET、控制电路和高电压启动电路,其耐热增强的20引脚TSSOP封装使得它在高温环境下也能稳定运行。 采用单个IC的开关稳压器技术对于高电压到±12 V的转换具有显著优势,不仅简化了电路设计,提高了效率,还降低了成本,对于在苛刻环境条件下工作的系统来说,是理想的选择。这种创新的解决方案在推动电动汽车、储能系统和工业自动化的发展中扮演着关键角色。
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采用单个采用单个IC从从30 V至至400 V输入产生隔离或非隔离输入产生隔离或非隔离±12 V输出输出
电动汽车、大型储能电池组、家庭自动化、工业和电信电源都需要将高电压转换为±12 V,以满足为放大器、传感器、数据转换器和工
业过程控制器供电的双极性电源轨需求。所有这些系统中的挑战之一是构建一个紧凑、高效的双极性稳压器,它的工作温度范围为-
40°C至+ 125°C,这在汽车和其他高环境温度应用中尤为重要。 线性稳压器已广为人知,并且通常位列双极性电源备选方案的首
位,但它不适用于上述高输入电压、低输出电压的应用,这主要是由线性稳压器在高降压比下的散热所导致。此外,双极性解决方案
至少需要两个集成电路(IC):一个正输出线性稳压器和一个负输出转换器。更好的解决方案是使用单个开关稳压器,该开
电动汽车、大型储能电池组、家庭自动化、工业和电信电源都需要将高电压转换为±12 V,以满足为放大器、传感器、数据转换器和工业过程控制
器供电的双极性电源轨需求。所有这些系统中的挑战之一是构建一个紧凑、高效的双极性稳压器,它的工作温度范围为-40°C至+ 125°C,这在汽车和
其他高环境温度应用中尤为重要。
线性稳压器已广为人知,并且通常位列双极性电源备选方案的首位,但它不适用于上述高输入电压、低输出电压的应用,这主要是由线性稳压器在高
降压比下的散热所导致。此外,双极性解决方案至少需要两个集成电路(IC):一个正输出线性稳压器和一个负输出转换器。更好的解决方案是使用单
个开关稳压器,该开关稳压器从较高的输入产生两个输出,并具有良好的效率和调节性能,同时还能适用于狭小空间并降低成本。
本文介绍了两种精简电路,它们均使用单个高电压LT8315转换器,可由30V至400V的宽输入电压范围产生±12V输出。一个电路是隔离型反激式拓
扑,另一个则是非隔离型降压拓扑。LT8315本身是一款高电压单芯片转换器,内置集成630 V/300 mA MOSFET、控制电路和高电压启动电路,采用耐
热增强型20引脚TSSOP封装。
无需光耦合器的隔离型双极性反激式稳压器
反激式转换器广泛用于多输出应用,以提供电气隔离、改善安全性并增强抗扰性。输出可以为正,亦可为负,具体取决于输出的哪一端接地。传统
上,采用光耦合器将信息从副边基准电压源电路传输至原边,以此来实现输出电压调节。问题在于,由于传播延迟、老化和增益变化等原因,光耦合器
会大大增加复杂性并降低可靠性。通常,连接至IC反馈引脚的输出在调节回路中占主导地位,而其他输出则通过变压器绕组进行松散控制,导致这些输
出的调节性能不良。
LT8315无需使用光耦合器,它从电源变压器的第三绕组采样反激回来的隔离输出电压。此外,它在副边电流几乎为零时亦可检测到输出电压,以实
现出色的负载调整。在双输出设计中,这种特殊的检测方案允许严密调节每个输出(两个输出都能主导调节)。因此,典型的±5%负载 调节非常易
于实现。
图1所示的LT8315解决方案在准谐振边界传导模式下工作。原边MOSFET具有很低的导通损耗,这是因为当开关节点振铃达到其谷值时,MOSFET
才导通。副边没有二极管反向恢复损耗。3 kV增强绝缘变压器是整个隔离栅上的组件,它可提升系统可靠性并满足严格的高压电源隔离要求。图2显示
了不同输入电压下的满载效率曲线。当输入为70 V且两个负载电流均为50 mA时,该反激式转换器可实现85.3%的峰值效率。
图1显示了一款具有30 V至400 V宽输入范围的反激式转换器的完整原理图。它的输出为±12 V,并可在负载电流为5 mA至50 mA时保持非常准确的
控制。该反激式转换器的峰值效率为85.3%,如图2所示。
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