一种原边反馈隔离电源的设计

中国兵器工业第214研究所 吴力涛 杨琼楠 陈剑钧 孙 迪

原边反馈反激式隔离电源是通过直接从初级侧反激波形对隔离式输出电压进行采样控制从而实现稳定电压输出。基于ADI公司的LT8302型无光耦反馈的隔离型反激式电源控制器作为原边反馈反激式隔离电源的核心控制器进行设计。由于其封装小、内部集成开关而且外围电路少，大大缩小了电源的外形尺寸。最后通过仿真软件对设计的原边反馈反激式隔离电源进行数据仿真，仿真结果表明其满足设计要求。

隔离型电源模块由于其输入端和输出端完全电气隔离，可切断无用信号的传播途经，其优势如下：

（1）保护人员、设备免遭感应在隔离另一端的危险瞬态电压损害；

（2）去除隔离电路之间的接地环路以改善抗噪声能力；

（3）在系统中轻松完成输出接线，而不与主接地发生冲突。

市场上的隔离型开关电源所使用的隔离稳压技术大致可分为光隔离反馈型、磁隔离反馈型、无反馈型和原边反馈型四种，其各自优缺点如表1所示。

表1 四种隔离型开关电源对比

通过表1的对比可知，每一种隔离型开关电源都有其鲜明的特点，在不同的应用场合可以根据实际需要选用不同类型的隔离型开关电源。但是在既需要产品小型化集成又需要输出电压稳定的应用场合，原边反馈型隔离型的开关电源还是较好的选择方案。

1 电源设计要求

原边反馈隔离电源采用反激式拓扑结构，通过直接从初级侧反激电压对隔离输出电压进行采样控制从而实现稳定电压输出，由于其不需要光耦和第三绕组隔离和组建反馈控制网络，大大减少了电源的组成器件，特别适合用来设计微型隔离电源。

本文基于ADI公司的LT8302型电源控制器，设计出一款宽输入电压范围的微型隔离电源模块，用于控制系统中需要电气隔离的场合，主要技术要求如下：

（1）输入电压：8V～32V；

（2）输出电压：5V±0.2V；

（3）最大输出电流：1.5A；

（4）输出纹波：≤100mV；

（5）转换效率：≥80%。

2 电路设计

2.1 电路原理设计

原边反馈隔离电源的原理是通过检测初级侧反激电压对隔离输出电压进行采样控制从而实现稳定电压输出。

LT8302的原边反馈电源原理如图1所示，其工作原理为，当功率MOS管M1关断时，SW脚上会反向耦合变压器副边的电压、电流，有反激电压VFLBK：

图1 原边反馈原理框图

其中VOUT为输出电压，VF为输出整流二极管压降，ISEC为次级线圈上的电流，ESR为整个次级电路上的等效串联电阻，NPS为变压器初级线圈和次级线圈的有效匝比。

该反激电压VFLBK通过RRFB、M2、RFB取样、比较等处理，并控制内置功率开关M1开启、关断，以调节输出电压，可见电路工作在零边界模式，稳定工作时有：

这样就可以通过RFB、RRFB和NPS设置要求的输出电压：

LT8302是一款反激式原边反馈电源控制器，其最低工作电压为2.8V，最高工作电压42V，内部集成了65V/3.6A的功率开关，可以将输入的8V～32V直流电源通过变压器转换成隔离的5V电源，原理如图2所示。

图2 电路原理图

如图2所示，电路主要由输入滤波(C1)、PWM控制器(N1)、隔离变压器(T1)、整流(D3)和输出滤波(C4)五个部分组成。隔离变压器(T1)和PWM控制器(N1)组成变换器的主体，实现能量的储存和电压的传递。PWM控制器(N1)中的原边反馈检测部分(RREF和RFB)根据输出电压和负载动态的变化调节PWM控制器的占空比输出，控制内部功率开关的导通和关断时间，从而保证输出电压的稳定。其中RTC为温度补偿电路，C3、R3、D1和D2构成尖峰吸收电路。

2.2 变压器参数设计

2.2.1 变压器匝比确定

输入电压8V～32V，输出电压5V/1.5A，隔离电压500V，预计转换效率80%以上，此时，变压器初次级匝数比NPS：

其中：

NPS为变压器初次级匝数比；

VIN(MAX)为输入最高电压32V；

VLEAKAGE为变压器反射电压15V；

VOUT为输出电压5V；

VF为二极管导通压降约0.3V；

当NPS取3时，此时最大占空比DMAX：

在8V输入电压的情况下，最大占空比约为0.67，在28V输入电压的情况下，最大占空比约为0.36，在32V输入电压的情况下，最大占空比约为0.33，都在控制器的工作范围之内。

2.2.2 初级电感量设计

变压器的最小初级电感量LPRI必须满足开关最小关断时间tOFF(MIN)和最小开启时间tON(MIN)。初级电感量LPRI：

根据LT8302数据手册参数典型值查阅，其中，tOFF(MIN)＝350ns；tON(MIN)＝160ns；ISW(MIN)＝0.87A，则：

变压器的电感量误差通常为20%，再考虑到其他器件的误差，我们通常在计算电感量的基础上增加40%～60%的余量，因此初级电感量LPRI我们取9μH。

次级电感量LSEC：

2.3 反馈参数设计

输出电压可以用RFB、RREF和变压器的匝比等参数共同设置，变压器匝比已经选用3：1，这样RFB、RRFB设计计算如下：

其中，VREF是芯片内部的带隙基准电压，VREF＝1V；

NPS是变压器初级线圈和次级线圈的有效匝数比；

VF是整流二极管正向压降，典型值0.3V；

ISEC是次级线圈上的电流；

ESR是整个次级电路上的等效串联电阻。

可以根据RFB和RREF电阻计算出输出电压，当VOUT＝5V时，RREF取10kΩ，RFB取154kΩ。

2.4 输出滤波设计

输出纹波大小与输出滤波电容大小有关，为了减小输出纹波，就需要加大输出滤波电容。输出滤波电容与输出纹波的关系为：

要求输出纹波ΔVOUT≤100mV，查数据手册ISW＝4.5A，则：

考虑到电容的误差，因此选取220μF输出滤波电容。

3 仿真结果

使用LTspice仿真软件对设计的电源进行仿真，在最低工作电压8V输入情况下，输出电压在轻载（10%负载）和满载的情况下均满足设计要求。具体仿真图见图3和图4所示。

图3 5V输出仿真波形（满载）

图4 5V输出仿真波形（10%负载）