使用Fly-Buck拓扑同步降压转换器拓扑生成多个隔的辅助输出

电子设计 2020-05-27 4167

描述

许多应用需要简单，廉价的隔离电源作为偏置，由输入电压高达100 V产生。传统上，这种隔离偏置电源是使用多种方案生成的。其中之一是反激式DC/DC转换器，其通常利用具有匝数比的非对称变压器用于初级和次级绕组，以及光耦合器或辅助绕组用于反馈调节。实际上，这种反激式转换器还必须采用复杂的补偿技术来保证稳定性。因此，传统的反激式转换器并不简单，需要更多的元件和空间，而且成本更高。

另一种方法是隔离降压或快速降压DC/DC转换器，同步降压转换器带有耦合电感绕组。根据德州仪器的应用报告1“设计隔离降压（Fly-buck）转换器”，fly-buck是低功耗隔离输出的更好选择，特别是当功率水平低于15时事实上，TI的应用报告表明其Fly-buck是一种经济高效的解决方案，用于产生低于15 W的多输出偏置电源。由于Fly-buck使用具有耦合电感器绕组的同步降压转换器来创建隔离输出，变压器较小，在初级和次级匝数比方面更好地匹配。此外，由于次级输出紧密跟踪初级输出电压，因此Fly-buck消除了光耦合器或辅助绕组。

Fly-buck拓扑

从根本上讲，如图1所示，通过用耦合电感或反激式替换同步降压转换器中的输出滤波电感来创建一种fly-buck拓扑型变压器X1。该变压器次级绕组上的电压使用二极管D1和电容器COUT2进行整流。如参考文献1中所讨论的，可以扩展Fly-buck拓扑以生成多个隔离的辅助输出。

转换器

图1 ：典型的fly-buck转换器拓扑。

本质上，fly-buck的初级输出电压VOUT1类似于降压转换器，如下所示：

转换器

类似地，次级输出电压VOUT2如下：

转换器

其中VF是前锋 - 次级整流二极管的电压降，N1和N2分别是变压器X1的初级和次级绕组的匝数。如公式（2）所示，次级输出（VOUT2）紧密跟踪初级输出电压（VOUT1），无需额外的变压器绕组或光耦合器，用于跨越隔离边界的反馈。

另外，如参考文献1中所述，TON是高侧开关Q1导通而低侧开关Q2截止的时间。类似地，TOFF是低侧开关Q2导通且Q1截止的时间。在TON期间，次级绕组中的电流为零，因为次级二极管通过等于VIN×N2/N1的电压反向偏置。初级绕组中的电流与磁化电流相同，类似于降压转换器电感。两个绕组中的电流计算在参考文献1中详细介绍。

实现拓扑

现在可以轻松实现图1所示的拓扑结构使用传统的同步降压稳压器，如TI的LM5017，其中包括紧凑型封装中的高端和低端MOSFET，如WSON-8和PowerPAD-8。由于LM5017采用恒定导通时间控制方案，因此无需环路补偿，可提供出色的瞬态响应，并能够处理高降压比。该降压稳压器的额定输入范围为7.5 V至100 V.

使用LM5017的典型隔离式Fly-buck DC/DC转换器如图2所示。它是一个双输出电路，带有10V作为初级输出电压VOUT1以及次级输出电压VOUT2。在此设计中，主负载电流为100 mA，而次级负载电流为200 mA。开关频率为750 kHz。

转换器

图2：基于TI 100 V同步降压稳压器LM5017的典型隔离式Fly-buck DC/DC转换器。

参考文献1中给出了这种双输出隔离式Fly-buck DC/DC转换器的元件计算。基于上述规范，该参考电压为基于LM5017的Fly-buck转换器提供元件值。这些值在基于LM5017的隔离式Fly-buck DC/DC转换器原理图中实现，如图3所示。该参考还提供了图3中Fly-buck电路的测量实验效率结果，如图4所示。。

转换器

图3：完整的原理图，包含基于LM5017的隔离式Fly-buck DC/DC转换器的元件值。

转换器

图4：基于LM5017的隔离式Fly-buck的实验效率性能，具有10 V输出和750 kHz开关频率。

观察到当输入电压较低时，Fly-buck转换器的效率较高，这相当于较小的降压比。随着输入电压的增加，效率开始显着下降，因为降压比增加，这导致更高的转换损耗。相比之下，随着输入电压的升高，低负载到满负载的效率变化也会增加。因此，当输入电压高达72 V时，低负载时的效率下降更加明显。

对于要求输出电压略低且输出电流能力更高的应用，TI提供LM5160A，同步降压转换器，输入电压范围为4.5至65 V，最大负载电流为1.5 A. LM5160A集成了高侧和低侧MOSFET，内置恒定导通时间控制方案，无需环路补偿，支持高降压比和快速瞬态响应。

简而言之，对于来自各种输入电压的低功耗，多输出隔离降压DC/DC转换器解决方案，当非常严格的调节时，飞降降压转换器是更好的选择。对于稳压输出电压并不重要，但简单性，成本和电路板空间对于应用至关重要。

有关本文中讨论的产品的更多信息，请使用提供的链接访问Digi-Key网站上的产品页面。

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