一种原边反馈的反激转换器设计

詹天文 张瑞伟 聂金铜 张颖超

摘 要：反激转换器因其结构简单、成本低等优点，广泛应用于隔离式小功率电源中。采用TL431（或稳压管）和光耦或增加变压器绕组的反馈控制方式限制了反激转换器体积的进一步减小。本文基于凌特公司（编者注：已被ADI收购）的LT8302设计了一个具有多模式控制、原边反馈和同步整流的反激转换器，输入电压范围DC～18 ～ 32 V，输出电压DC50.1 V±，最大输出电流2.5 A，外形尺寸（WL H××）为27 mm 27 mm 10 mm××。该转换器具有结构简单、体积小和效率高的特点。

关键词：反激转换器；原边反馈；LT8302；同步整流

0 引言

随着电力电子技术的不断发展，开关电源因具有效率高、体积小、质量轻等优点被广泛应用于各种电子设备[1-3]。在各种开关电源转换器拓扑结构中，结构简单、低成本的反激转换器通常是隔离式小功率应用场合的首选电路拓扑。传统反激转换器一般采用TL431（或稳压管）和隔离光耦配合，或增加一个变压器绕组的次级反馈控制方式，具有稳压精度高的优点[4-6]。但是，由于采用元件较多，这种反馈方式限制了传统反激转换器在对体积和成本有严格要求场合的应用。因此，为了进一步减小体积，降低成本，利用原边反馈的反激变压器受到了广泛关注[7-9]。本文基于凌特公司的LT8302设计了一个多模式控制、原边反馈和同步整流的反激转换器，其输入电压范围DC 18 ～ 32 V（），输出电压DC 50.1 V（）±，最大输出电流2.5 A。该转换器具有结构简单、体积小和效率高的特点。

1 反激转换器的反馈控制原理

反激转换器拓扑的基本原理为：在开关导通时，输入电能量转换为磁能量经变压器初级电感储存在磁芯中，在开关关断时，变压器次级电感将储存的磁能量转换为电能量传递到输出端。根据开关过程中变压器所存储的磁能量是否完全传递到输出端，反激转换器拓扑的工作模式可以分为电流断续模式（DCM）和电流连续模式（CCM）[10-11]。控制电路通过检测输出状态，调整开关导通与关断时间，从而实现稳定的输出。隔离反激转换器的反馈控制技术可以分为原边反馈和副边反馈两种方式。

1.1 副边反馈技术

副边反馈技术原理如图1所示，通常采用光电耦合器和三端稳压器TL431（或稳压管）组合，将检测到的输出电压反馈到原边控制电路，进而控制原边功率管的开关动作，实现输出稳定的电压。常用的UC384X和TOPSWITCH系列芯片均采用这种反馈控制方式，通过将取样电压转换为光耦二极管侧的电流，进而控制光耦三极管的导通程度，将输出电压反馈回控制芯片，控制开关管的开通与关断。在这种控制方式中，光耦的响应时间和线性度直接影响到输出电压的稳压精度。

1.2 原边反馈技术

与副边反饋技术直接取样输出电压不同，原边反馈反激转换器直接通过变压器的初级电感获取输出电压。基本原理是在开关管关断时检测开关管漏极电压，从而取样到输出电压。由于开关管关断时的漏极电压是由输入电压、输出反激电压和漏感尖峰电压组成，直接处理有一定难度，常通过引入辅助绕组，检测辅助绕组的电压来取样输出电压。其工作原理如图2所示。

根据负载状态的不同，LT8302可以控制反激转换器在打嗝模式、断续模式和准谐振边界模式工作，以提高能量转换效率。当负载电流大时，反激转换器在准谐振边界模式工作，芯片的边界检测器检测到次级电流为0，且电压谐振到谷值时导通内部开关M1。在这种模式下，开关频率将随着负载电流的增加而减小。随着负载电流的减小，开关频率将不断增加，为了防止因开关频率过高而引起的开关和驱动损耗增加，芯片将限制开关频率最大为380 kHz，从而控制转换器在断续模式工作。当负载电流进一步减小，芯片将控制开关频率进一步减小，最低可到12 kHz，从而控制转换器在打嗝模式工作。

2 电路设计

基于LT8302的反激转换器设计指标如表1所示。

在输入电压为额定24 V时，反激转换器输出波形如图6所示，图中（a）、（b）、（c）波形1分别为负载电流为0、1.5 A、2.5 A时开关管M1的DS电压波形；波形2为对应负载电流下的输出电压纹波。从图中可以看出，在对应负载电流下，反激转换器分别在打嗝模式、断续模式和准谐振边界模式下工作，输出电压纹波峰-峰值最大为40 mV。图6（d）为负载电流为2.5 A时，同步整流MOSFET的GS（波形1）和DS（波形2）波形。

分别测试了该转换器在输入电压为18 V、24 V和32 V，负载电流分别在0.5 A、1 A、1.5 A、2 A、2.5 A时的能量转换效率，然后拟合曲线，结果如图7所示。在通常情况下，该转换器的能量效率能够达到80%以上。

4 结束语

本文基于LT8302设计了一个具有多模式控制、原边反馈和同步整流的反激转换器，其输入电压范围DC 18 ～ 32 V（），输出电压DC 50.1 V（）±，最大输出电流2.5 A。该转换器具有结构简单、体积小、效率高的特点。

参考文献：

[1] 沙占友，王彦明，马红涛，等.开关电源优化设计[M].北京：中国电力出版社，2012.

[2] MANIKTALA S.精通开关电源设计[M].王志强，等，译.北京：人民邮电出版社，2008.

[3]张纯亚，何林，章治国.开关电源技术发展综述[J].微电子学，2016， 46（2）：255-260.

[4] 刘武祥，金星，刘群.基于UC3842的反激式开关电源的控制环路设计[J].电子技术应用，2007，46（8）：163-165.

[5] PANOV Y， JOVANOVIC M M.Small-signal analysis and control design of isolated power supplies with optocoupler Feedback[J].IEEE Trans.Power Electron.，2005，20（4）：823-832.

[6] 龍伟华，徐军，张俊伟，等.基于TOP245Y芯片的反激式多路开关电源设计[J].电测与仪表，2014，51（18）：80-84.

[7] ZHANG J，ZENG H，JIANG T.A primary-side control scheme for high-power-factor LED driver with TRIAC dimming capability[J].IEEE Transactions on Power Electron ics，2012，27（11）：4619-4629.

[8] WU C N，CHEN Y L，CHEN Y M.Primary-side peak current measurement strategy for high-precision constant output current control[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2015，30（2）：967-975.

[9] XU Y，CHANG C，BIAN B，et al.A high-precision constant current primary side controller with inductance compensation[C].Telecommunications Energy Conference， IEEE，2016.

[10] ABRAHAM I.PRESSMAN，BILLINGS K，et al.Switching Power Supply Design[M].3rd ed.USA：The McGraw-Hill Companies.2009.

[11] 孟建辉，刘文生.反激式变换器转换器DCM与CCM模式的分析与比较[J].通信电源技术.2010，27（6）：34，35.

[12] Analog Device Corporation.LT8302 42VIN Micropower No-Opto Isolated Flyback Converter with 65V/3.6A Switch[EB/OL].USA：Linear Technology Corporation，2020，https：//www.analog.com/media/en/ technical-documentation/data-sheets/LT8302-8302-3. pdf.

[13] Analog Device Corporation.LT8309 SecondarySide Synchronous Rectifier Driver[EB/OL].USA：ANALOG DEVICES Corporation，2020，https：//www.analog.com/ media/en/technical-documentation/data-sheets/lt8309.pdf.