作者：Zhijun (George) Qian and William Xiong

電動汽車、大型電池存儲堆棧、家庭自動化、工業和電信電源都需要將高電壓轉換為±12 V，其中需要雙極性電源軌為放大器、傳感器、數據轉換器和工業過程控制器供電。所有這些系統面臨的一個挑戰是創建一個緊湊、高效的雙極性穩壓器，該穩壓器的工作溫度范圍為–40°C至+125°C，這在汽車和其他高環境溫度應用中尤其重要。

線性穩壓器廣為人知，通常是雙極性電源的首選，但不適用于前面提到的高輸入電壓、低輸出電壓應用，這主要是由于線性穩壓器在高降壓比下散熱。此外，雙極性解決方案至少需要兩個集成電路（IC）：一個正輸出線性穩壓器和一個負轉換器。更好的解決方案是使用單個開關穩壓器，該穩壓器以較高的輸入產生兩個輸出，具有良好的效率和調節性，同時適合狹小的空間并降低成本。

本文介紹兩個優雅的電路，它們均使用單個高壓LT8315轉換器，可在30 V至400 V寬輸入電壓范圍內產生±12 V輸出。一個電路是隔離式反激式拓撲;另一種基于非隔離降壓拓撲。LT8315本身是一款高壓單片式轉換器，集成了630 V/300 mA MOSFET、控制電路和高壓啟動電路，采用耐熱性能增強型20引腳TSSOP封裝。

隔離式雙極性反激式穩壓器，不帶光耦合器

反激式轉換器廣泛用于多輸出應用，以提供電流隔離、提高安全性并增強抗噪性。輸出可以是正輸出或負輸出，具體取決于輸出的哪一側接地。傳統上，輸出電壓調節是使用光耦合器將信息從次級側基準電壓源電路傳輸到初級側來實現的。問題在于，由于傳播延遲、老化和增益變化等原因，光耦合器增加了顯著的復雜性并降低了可靠性。通常，連接到IC反饋引腳的一個輸出主導調節環路，而其他輸出則通過變壓器繞組松散控制，導致這些輸出的調節不良。

LT8315 不需要光耦合器，并從電源變壓器上的三級繞組對反射的隔離輸出電壓進行采樣。此外，當次級電流幾乎為零時，會檢測輸出電壓，以實現出色的負載調節。在雙輸出設計中，這種獨特的檢測方案允許對每個輸出進行嚴密調節——兩個輸出都可以主導調節。因此，可以輕松實現典型的±5%負載調整率。

圖1所示的LT8315解決方案在準諧振邊界導通模式下工作。初級 MOSFET 具有最小的導通損耗，因為當開關節點振鈴到其谷值時，MOSFET 導通。次級側沒有二極管反向恢復損耗。3 kV增強型絕緣變壓器是跨越隔離柵的唯一組件，可提高系統可靠性并滿足嚴格的高壓電源隔離要求。圖2顯示了不同輸入電壓下的滿載效率曲線。當輸入為70 V且負載電流均為50 mA時，該反激式轉換器可實現85.3%的峰值效率。

圖1顯示了具有30 V至400 V寬輸入范圍的反激式轉換器的完整原理圖。它輸出±12 V，并在5 mA至50 mA的負載電流范圍內保持嚴格的調節。該反激式轉換器的峰值效率為85.3%，如圖2所示。

圖1.完整的±12 V/50 mA隔離反激式轉換器，適用于30 V至400 V的寬輸入范圍。

圖2.圖1中反激式轉換器的滿載效率與輸入電壓的關系

具有兩個電感器的非隔離式雙極性降壓穩壓器

LT8315 的高電壓輸入能力可通過使用現成的電感器應用于非隔離式解決方案。具有雙電感的降壓穩壓器僅需幾個元件，如圖3所示。該轉換器接受30 V至400 V的極寬輸入范圍，并產生±12 V/30 mA輸出。該電路在滿載時，采用30 V輸入的兩個輸出的效率可高達87%。

圖3.采用單LT8315 IC的非隔離式雙電感降壓轉換器原理圖：30 V至400 V輸入至±12 V輸出，每個輸出30 mA。

在這種拓撲中，LT8315 的 GND 焊盤有意不接地，并作為公共開關節點連接，用于驅動兩個輸出。對于PCB布局，LT8315的GND焊盤尺寸應限制在裸露焊盤區域內，以減少對其他組件的電磁干擾，因為GND走線是這種拓撲中相對嘈雜的開關節點。二極管D2和FB引腳上的兩個1%電阻構成調節正輸出電壓的反饋路徑。D2 對于防止 FB 引腳在 MOSFET 導通時放電是必要的。電阻分壓器不需要考慮D2的正向壓降，因為D2和D3的正向電壓相等并抵消;因此，反饋網絡跟蹤并密切調節正輸出電壓。

負電源軌包括低壓耦合電容C飛、第二個電感L2、一個箝位二極管D4和負輸出電容CO2.根據C電路回路的電感伏秒平衡O1-L1-C飛-L2，L1和L2兩端的平均電壓為零，所以耦合電容C飛的電壓等于正輸出電壓。C飛在 MOSFET 導通期間對 L2 充電，而 D4 在 MOSFET 關斷期間為 L2 放電提供路徑。負輸出電壓根據C的電壓間接調節飛保持恒定并等于正輸出電壓。如圖4的調節曲線所示，當正負載滿載30 mA時，負電源在各種輸入電壓下3 mA至30 mA的負載范圍內保持±5%的調節。

圖4.圖3中雙電感降壓轉換器在不同輸入電壓下的負12 V負載調節曲線。

結論

本文介紹兩種雙極性轉換器解決方案，適用于30 V至400 V寬輸入范圍：一種是隔離式，另一種是非隔離式。LT8315 由于其高壓集成 MOSFET、無光耦合器反饋環路和內部高壓啟動電路，兩者均采用。其他特性包括低紋波突發模式操作、軟啟動、可編程電流限制、欠壓鎖定、溫度補償和低靜態電流。LT8315 的高集成度簡化了適用于各種應用的高壓輸入和雙極性輸出電路的設計。

審核編輯：郭婷