LT8301 无光耦反激DCDC的应用设计

描述

本次与大家分享的是世健和ADI联合举办的《在ADI电源产品的花园里“挖呀挖”》主题活动的三等奖文章:《LT8301 无光耦反激DCDC的应用设计》及作者获奖感言。

获奖感言

ADI

LT8301无光耦反激DCDC

的应用设计

非常感谢世纪电源网与世健组织的这次ADI产品应用与技术分享活动,也非常荣幸能获得奖品,在分享的过程中也巩固了一些基本知识,后续我会继续分享一些应用案例,希望大家能参与进来,互相交流和探讨,共同进步。

作者l1250455243

所在行业电源

应用领域汽车电源,DCDC辅助电源,无光耦原边反馈反激电源

应用案例名称:汽车辅助电源

ADI电源产品类型:开关稳压器

ADI电源产品型号lt8301

前言

各位同行们大家好,本人做电源已经很多年了,用过很多品牌电源产品的芯片,ADI的芯片,一直以来给人的印象就是可靠,性能出众。自从入行来就经常逛世纪电源网,看各大佬版主的经验分享,和同行们交流分享技术研讨,因此深受启发,学到了各种电源知识。现借此机会用LT8301设计一个简单的辅助电源,给大家分享一下这个过程,欢迎大家来一起指导和交流。

本次分享我将按以下几个内容展开:

一、 设计目标

二、 LT8301的性能及优势介绍

三、 原理图

四、 变压器设计

五、 关键器件计算与选取

六、 LTspice仿真

七、 PCB layout

八、 测试验证

01

设计目标

给后级MCU等供电,输入接12V电池,考虑电池的波动,设计输入:9~24V 输出:5V/1A max,隔离,尺寸小。

02

LT8301性能及优势介绍

一般的反激都是通过变压器副边采样输出电压,然后通过光耦传输到原边给芯片作为控制信号的。还有一种是采用3个绕组的原边反馈,从第三个绕组取电给芯片供电,同时采样电压(此绕组电压与输出电压为比例关系)给芯片做控制。这些方式都有一些缺点,成本偏高,光耦受温度的影响,三绕组的变压器贵,体积大占空间。

现有LT830X系列的2绕组的原边反馈反激,变压器只需要原副边绕组即可,通过原边的1颗电阻便可对副边电压经行采样和控制。

以下便是LT8301规格书的典型应用电路:

ADI

简单介绍下LT8301,这是LT830X系列里的其中之一,这个系列都是两绕组的原边反馈反激,主要是支持不同电压等级,以及是否内置MOSFET的区别。类似的还有MAX17690,外置MOS 支持更高的输出功率,成本也会好一点。

LT8301是支持AEC-Q100车规认证的,静态电流在sleep 模式下只有100uA ,轻载工作在burst 模式,重载工作在临界模式。内置65V/1.2A MOS 且封装为TSOT23 ,尺寸比较小。内建软启动,输出短路保护,支持多路输出以及负压输出应用,峰值效率可以到85%以上。

03

电路原理图

ADI

04

变压器设计

先估算匝比,由于内部集成65V 管子,所以反射电压+最大输入电压+尖峰<65V*90%。副边肖特基选用RB060MM-30TF *2 ,30V/ 2A /AEC-Q101。副边肖特基压降Vf=0.45V;Vinmax=24V;原副边匝比为Nps,反射电压Vor=(Vf+Vo)*Nps。

尖峰电压为Vspike ,一般取0.4*Vinmax 效率最好(一本书上看到的,但忘了),取的越小对变压器要求越高,漏感需要做的比较小。

Vor+Vinmax+Vspike<58.5 ,

解得 Nps<4.56 。

针对副边有 Vinmax/Nps +Vo <30*0.8 得 Nps>1.26 ;Nps 可取2, 3 ,4。

ADI

以取Nps=4。

首先看Toff 时,副边电感提供输出能量(工作在临界模式)

(Vo+Vf)=Ls* , Ls是副边感量,Lp=Ls*,Lp= (Vo+Vf)*Toff*Nps/Isw

Lp≥(Vo+Vf)*Toff(min)*Nps/Isw(min); Toff(min)=450ns , Isw(min)=290mA,Lp≥33uH。Ton 时,原边电感充电

Vinmax≤Lp*Isw(min)/Ton(min);Ton(min)=170ns ,Isw(min)=290mA

得Lp≥14uH。

Lp可选40uH 。

Dmax==70% ; Dmin==47%

原边最大有效值电流为:Isw(max)* = 575mA ; Isw(max)=1.2A

副边最大有效值电流为:Isp(max)* = 1.5A

Ton min= , Toff min=

Fsw= = 238kHz

趋肤深度为δ= 电流密度取J

原边线径:Φ1=0.34mm Φ0.17mm*2

副边线径Φ2=0.56mm Φ0.2mm*3

选择EP10 , PC47材质

AE=11.3mm² ,B=0.2T

可知原边:Np= Uinmin*Tonmax/(B*AE)=21 取24匝

副边 Ns=6匝。

参数可以优化折中,选择现有的过认证的标准变压器。

05

关键器件计算与选取

Cout≥Lp*Isw²/(2*Vo*ΔVo)=23uF ,

ΔVo=5%*Vo ;纹波越小,容值越大。

吸收电路选用稳压二极管,有利于保持效率的同时,防止MOSFET击穿。

Vzener≤65-Vinmax=41V 可选取30V 稳压管

Rfb= Nps*(Vo+Vf)/100uA =218kΩ 取220kΩ。

R1= Vin(HYS)/2.5uA=806kΩ ,Vin(HYS)=2V

R2=232kΩ ,可设置为欠压保护点为7.5V (公式见规格书)

最小负载的要求:

I LOAD(MIN) =Lp*(360mA )²*10.6kHz /2/5V=5.5mA。

R4可取820kΩ。

06

LTspice仿真

变压器耦合系数设置为0.998。

输入9V ,输出只有5V/0.73A=3.6W左右,符合匝比为4的负载曲线。

ADI

Ton=6.56us,T=9.02us,Dmax=72% ,与计算几乎一致 。

原边有效值电流为674mA ,与计算值575mA 有点偏差,软件应该是算上了电流振荡尖峰的能量。

输入24V, 输出5V/1.3A Vds电压小于65V .

ADI

输入12V, 输出4.8V/0.97A。

ADI

从仿真来看基本达到设计标准。

接下来有空会把layout做一下,然后焊个板子测试一下,其实这个料关键在于变压器设计,后续看有没现成的骨架和磁芯,绕一个出来试试。

下面给大家介绍一下何为burst模式。

这款芯片是通过原边电阻反馈来控制,是在Toff 时采集SW端的电压,这个电压包含了从副边反射到原边的电压加上输入电压,所以在轻载时如果要控制输出电压,至少是要有开关动作。芯片定义了最小开关周期10kHz,导通时间是按照最小的开关电流290mA来限定的,因此这种工作模式被叫做burst 模式。


周末闲来无事,把layout做了一下,发去打样了。就差变压器了。

ADI

本次分享就进行到这里了,欢迎大家一起进行补充与探讨,谢谢。

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