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【世健ADI技术分享】LT8301 无光耦反激DCDC的应用设计

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l1250455243
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LV6
高级工程师
  • 2023-8-22 17:26:23
分享人: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
做电源也很多年了,用过比较多品牌的电源芯片,凌特(现合并到ADI)的芯片一直给人的印象就是可靠,性能出众。 从入行来就经常逛世纪电源网,看各大佬版主的经验分享,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,分享下过程,欢迎大家指导和交流。
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
一、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。
二、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。


l1250455243
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LV6
高级工程师
  • 2023-8-22 17:47:48
  • 倒数5
 
以下便是LT8301规格书的典型应用电路。
1.png
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。
三、电路原理图:
2.png
四、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
3.png
根据规格书提供的曲线,Nps=4时,输出能力大一点,在9V 时输出不到1A,所以取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。
五、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。

六、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。
4.png
5.png
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 .
6.png
输入12V, 输出4.8V/0.97A
7.png
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。
y475199448y
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LV8
副总工程师
  • 2023-8-22 20:26:17
  • 倒数4
 
burst 模式是什么意思?
l1250455243
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LV6
高级工程师
  • 2023-8-23 23:10:36
  • 倒数3
 
这个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,这种工作模式叫做burst 模式。
l1250455243
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LV6
高级工程师
  • 2023-8-27 14:51:13
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3D.jpg
周末闲来无事,把layout做了一下,发去打样了。就差变压器了。
阿静
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  • 2023-10-8 16:24:11
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这芯片好贵的吧
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