为空间受限的设计选择无光电反激式直流转换器

对微功耗和低功耗应用（<1W 至数十瓦）的需求不断增长，这推动了进一步减小解决方案尺寸和设计复杂性的需求。为了满足这些需求，无光耦合器或“无光”反激式设计正成为首选拓扑。由于其相对简单的设计和较少的组件数量，反激式拓扑是隔离式 DC/DC 转换器应用的绝佳选择。

传统上，隔离式 DC/DC 反激式转换器使用光耦合器或第三个变压器绕组来实现适当的线路调节。不幸的是，这导致了更复杂的设计、增加的物料清单 (BOM) 成本以及对更多 PCB 空间的需求。较新的“无光”反激式方法通过直接从初级侧反激波形采样隔离输出电压来使用初级侧调节。这提供了一个隔离式反激式电路，无需光耦合器或第三个变压器绕组，而二次侧输出电压调节通常需要这些绕组。这种简化的变压器配置为新设计提供了使用各种紧凑型现成变压器以及 Coilcraft 耦合电感器的可能性。

在这篇博文中，我们将探讨如何通过开发结合了 Maxim 无光反激式转换器 IC 和 Coilcraft 反激式变压器的解决方案来简化设计、重新获得 PCB 空间并降低 BOM 成本。

流行的反激式拓扑非常适合低功耗 DC/DC 转换

反激式拓扑是设计适合低功率应用的隔离式 DC/DC 转换器的一种历史悠久且受欢迎的方法。低功率 DC/DC 转换器，从 5W 到 20W，应用广泛，尤其需要为工业自动化系统、过程控制器和工业网络设备供电。开发人员还在同样广泛的电池供电设备（例如手持式检测装置和智能手机）中使用紧凑型微功率 <1W DC/DC 转换器。反激式转换器采用与降压/升压 DC/DC 转换器类似的开关方法，但不是使用单个电感器，而是通过具有初级和次级绕组的变压器实现电流隔离。变压比决定输出电压是小于还是大于输入电压。控制器集成电路 (IC) 驱动初级变压器绕组，开关频率通常可调，以针对所需负载条件实现最佳转换效率。严格调节输出电压通常是控制器 IC 的一个关键属性，但保持初级与次级隔离不允许来自次级侧的直接反馈连接。通常，使用以下两种方法之一作为隔离反馈环路来调节次级输出电压：但是保持初级到次级的隔离不允许来自次级侧的直接反馈连接。通常，使用以下两种方法之一作为隔离反馈环路来调节次级输出电压：但是保持初级到次级的隔离不允许来自次级侧的直接反馈连接。通常，使用以下两种方法之一作为隔离反馈环路来调节次级输出电压：

光耦

变压器上的第三个绕组

光耦合器方法提供了最佳的电压和电流调节，但会导致转换器设计中包含额外的组件，这些组件都需要电路板空间。对于线路调节不那么重要的应用，第三种变压器绕组方法就足够了。

缩小电路板空间需要更低的 BOM

尽管光耦合器方法在电压和电流调节方面具有优势，但光耦合器的可靠性特性和所需的附加组件往往会显着缩短设计的平均故障间隔时间 (MTBF)。在当今空间受限的设备中，尤其是在工业自动化控制柜中，需要在给定的电路板空间中安装更多电子设备，这促使开发人员重新考虑调节输出电压的方法。从变压器的初级侧获取反馈电压似乎是一种谨慎、准确且具有成本效益的解决方案。然而，在初级侧的反激“关闭”阶段通过变压器检测反射的次级输出有很多好处。

无光反激方法的优势

采用非基于光的转换器方法有几个优点。这种方法的一个优点是它通过减少许多组件（例如光耦合器、去耦电容器和驱动光耦合器所需的其他次级侧器件）来极大地简化设计。减少元件数量不仅意味着节省宝贵的电路板空间，而且还具有提高 MTBF 可靠性等级的额外好处。此外，更少的组件导致更低的 BOM 成本。非基于光的转换器方法的另一个优点是还可以简化变压器设计，使其更加紧凑，并且在使用第三绕组提供反馈电压的情况下，开发人员可以使用更小的变压器。

Maxim MAX17690 无光反激式控制器 IC

Maxim MAX17690是无光隔离反激式控制器 IC 的绝佳示例。MAX17690 具有 4.5V 至 60V 的输入电压范围和 50kHz 至 250kHz 的可编程开关频率范围，可以驱动初级侧标准或逻辑电平 MOSFET，如图 1所示的示例应用所示. 它具有 2A/4A 峰值源/灌栅极驱动电流能力、输入使能/欠压锁定功能和输入过压保护。该控制器采用紧凑、节省空间的 16 引脚 3mm x 3mm TQFN 封装，还具有可编程软启动功能，可限制启动期间的浪涌电流。图 1 突出显示了一个低 BOM 设计，其中包含一个 1:0.22 变压器，可从 18V 至 36V 范围内的输入提供隔离式稳压 5V、1A 输出。MAX17690 可在所有负载和线路变化范围内实现 +/-5% 的输出电压调节。在 IC 中，一种算法根据反激阶段初级侧绕组的电压准确计算输出电压。

图 1：使用 Maxim MAX17690 从 18V 至 36V 输入创建 5V、1A 输出的应用示例。（来源：Maxim）

除了 MAX17690 之外，还有另外两款隔离式无光反激式控制器 IC 可供选择。MAX17686采用 10 引脚 3mm x 2mm TDFN 封装，使用片内开关 MOSFET 提供高达 5W 的输出功率和 90% 的峰值效率。稍大的MAX17687可以提供高达10W的输出。

设计原型

在为中低隔离式 DC/DC 电源转换应用开发空间封闭设计时， Coilcraft YA9280-AL反激式变压器是搭配薄型 Maxim MAX17690 无光反激式 DC/DC 转换器 IC 的理想选择。这款薄型变压器针对与 MAX17690 的参考设计MAXREFDES1226一起使用进行了优化，仅占用 13.0mm x 12.0mm x 6.5mm 的电路板空间，并具有高峰值初级绕组电流。初级到次级隔离为 1,500Vrms，与类似的变压器相比，该设备体积小 30%，外形小 6.2 毫米。YA9280-AL 是 Coilcraft 最新推出的紧凑型、高效无光反激变压器综合低功耗产品组合（图 2）。

图 2：高度紧凑、薄型的 Coilcraft YA9280-AL 反激式变压器在没有辅助绕组的简单设计中提供严格的输出调节。（来源：线艺）

Maxim MAXREFDES1226 参考设计是评估基于 MAX17690 的隔离式无光反激转换器原型的理想平台。

用于 MAX17960 无光反激式控制器 IC 的 Maxim MAXREFDES1226 参考设计使用 Coilcraft YA9280-AL 薄型紧凑型变压器。

该参考设计从 18V 至 36V 范围内的直流电源提供单个隔离式稳压 5V、1.5A (7.5W) 输出。

Robert Huntley 是一位获得 HND 资格的工程师和技术作家。凭借他在电信、导航系统和嵌入式应用工程方面的背景，他代表 Mouser Electronics 撰写了各种技术和实用文章。