電動汽車、大型儲能電池組、家庭自動化、工業(yè)和電信電源都需要將高電壓轉(zhuǎn)換為±12 V,以滿足為放大器、傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和工業(yè)過程控制器供電的雙極性電源軌需求。所有這些系統(tǒng)中的挑戰(zhàn)之一是構(gòu)建一個緊湊、高效的雙極性穩(wěn)壓器,它的工作溫度范圍為-40°C至+ 125°C,這在汽車和其他高環(huán)境溫度應(yīng)用中尤為重要。
線性穩(wěn)壓器已廣為人知,并且通常位列雙極性電源備選方案的首位,但它不適用于上述高輸入電壓、低輸出電壓的應(yīng)用,這主要是由線性穩(wěn)壓器在高降壓比下的散熱所導(dǎo)致。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(wěn)壓器和一個負輸出轉(zhuǎn)換器。更好的解決方案是使用單個開關(guān)穩(wěn)壓器,該開關(guān)穩(wěn)壓器從較高的輸入產(chǎn)生兩個輸出,并具有良好的效率和調(diào)節(jié)性能,同時還能適用于狹小空間并降低成本。
本文介紹了兩種精簡電路,它們均使用單個高電壓LT8315轉(zhuǎn)換器,可由30V至400V的寬輸入電壓范圍產(chǎn)生±12V輸出。一個電路是隔離型反激式拓撲,另一個則是非隔離型降壓拓撲。LT8315本身是一款高電壓單芯片轉(zhuǎn)換器,內(nèi)置集成630 V/300 mA MOSFET、控制電路和高電壓啟動電路,采用耐熱增強型20引腳TSSOP封裝。
無需光耦合器的隔離型雙極性反激式穩(wěn)壓器
反激式轉(zhuǎn)換器廣泛用于多輸出應(yīng)用,以提供電氣隔離、改善安全性并增強抗擾性。輸出可以為正,亦可為負,具體取決于輸出的哪一端接地。傳統(tǒng)上,采用光耦合器將信息從副邊基準電壓源電路傳輸至原邊,以此來實現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)。問題在于,由于傳播延遲、老化和增益變化等原因,光耦合器會大大增加復(fù)雜性并降低可靠性。通常,連接至IC反饋引腳的輸出在調(diào)節(jié)回路中占主導(dǎo)地位,而其他輸出則通過變壓器繞組進行松散控制,導(dǎo)致這些輸出的調(diào)節(jié)性能不良。
LT8315無需使用光耦合器,它從電源變壓器的第三繞組采樣反激回來的隔離輸出電壓。此外,它在副邊電流幾乎為零時亦可檢測到輸出電壓,以實現(xiàn)出色的負載調(diào)整。在雙輸出設(shè)計中,這種特殊的檢測方案允許嚴密調(diào)節(jié)每個輸出(兩個輸出都能主導(dǎo)調(diào)節(jié))。因此,典型的±5%負載調(diào)節(jié)非常易于實現(xiàn)。
圖1所示的LT8315解決方案在準諧振邊界傳導(dǎo)模式下工作。原邊MOSFET具有很低的導(dǎo)通損耗,這是因為當(dāng)開關(guān)節(jié)點振鈴達到其谷值時,MOSFET才導(dǎo)通。副邊沒有二極管反向恢復(fù)損耗。3 kV增強絕緣變壓器是整個隔離柵上唯一的組件,它可提升系統(tǒng)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(dāng)輸入為70 V且兩個負載電流均為50 mA時,該反激式轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)85.3%的峰值效率。
圖1顯示了一款具有30 V至400 V寬輸入范圍的反激式轉(zhuǎn)換器的完整原理圖。它的輸出為±12 V,并可在負載電流為5 mA至50 mA時保持非常準確的控制。該反激式轉(zhuǎn)換器的峰值效率為85.3%,如圖2所示。
圖1.一款用于30 V至400 V寬輸入范圍的完整±12 V/50 mA隔離型反激式轉(zhuǎn)換器。
圖2.圖1所示反激式轉(zhuǎn)換器的滿載效率與輸入電壓的關(guān)系。
圖3.使用單個LT8315 IC的非隔離型雙電感降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖:從30 V至400 V輸入轉(zhuǎn)換至±12 V輸出(每路30 mA)。
采用單個IC從30 V至400 V輸入產(chǎn)生隔離或非隔離±12 V輸出
采用雙電感的非隔離型雙極性降壓穩(wěn)壓器
LT8315具備高電壓輸入能力,只需借助現(xiàn)成的電感,即可以應(yīng)用于非隔離型解決方案。圖3顯示了一款采用雙電感的降壓穩(wěn)壓器,僅需幾個組件。該轉(zhuǎn)換器可接受的輸入電壓范圍很寬(-30 V至400 V),并能產(chǎn)生±12 V/30 mA的輸出。當(dāng)輸入為30 V時,該電路的兩個輸出均可實現(xiàn)滿載條件下高達87%的效率。
在這種拓撲中,LT8315的GND焊盤特意未接地,而是連接作為驅(qū)動兩個輸出的公共開關(guān)節(jié)點。在PCB布局時,應(yīng)將LT8315的GND焊盤尺寸限制在裸露焊盤面積內(nèi),以減少對其他組件的電磁干擾,因為GND走線是該拓撲中噪聲相對較高的開關(guān)節(jié)點。二極管D2與FB引腳上的兩個1%電阻形成反饋路徑,以調(diào)節(jié)正輸出電壓。每當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時,為防止FB引腳放電,D2必不可少。電阻分壓器無需考慮D2的正向壓降,因為D2和D3的正向電壓相等并且可以互相抵消;因此,反饋網(wǎng)絡(luò)會跟蹤并嚴密調(diào)節(jié)正輸出電壓。
負軌包括低電壓耦合電容CFLY、第二電感L2、環(huán)流二極管D4和負輸出電容CO2。根據(jù)CO1-L1-CFLY-L2電路回路的電感伏秒平衡,L1和L2兩端的平均電壓為零,因此耦合電容CFLY的電壓等于正輸出電壓。CFLY在MOSFET導(dǎo)通期間為L2充電,而D4在MOSFET關(guān)斷期間為L2提供放電路徑。負輸出電壓基于CFLY電壓(保持恒定并等于正輸出電壓)間接調(diào)節(jié)。如圖4的調(diào)節(jié)曲線所示,當(dāng)正輸出電壓負載為滿載30 mA時,對于不同的輸入電壓,負輸出電壓在3 mA至30 mA的負載范圍內(nèi)保持±5%的調(diào)節(jié)率。
圖4.圖3所示雙電感降壓轉(zhuǎn)換器在各種輸入電壓下的負12V負載調(diào)整曲線。
結(jié)論
本文介紹了兩種適用于30 V至400 V寬輸入范圍的雙極性轉(zhuǎn)換器解決方案:一種是隔離型,另一種是非隔離型。LT8315同時適用于這兩種方案,因為它內(nèi)置高壓集成MOSFET和高壓啟動電路,無需光耦合器反饋回路。該器件的其他特性還包括低紋波突發(fā)模式(Burst Mode?)工作、軟啟動、可編程電流限制、欠壓鎖定、溫度補償和低靜態(tài)電流。LT8315的高集成度簡化了多種應(yīng)用領(lǐng)域的高壓輸入和雙極性輸出電路的設(shè)計。
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史海拾趣
對于帶有1HZ低通濾波器的電橋放大器電路,網(wǎng)友可能的問題及回答如下:
問題一:1HZ低通濾波器在電橋放大器電路中的作用是什么?
回答:1HZ低通濾波器在電橋放大器電路中的主要作用是濾除高于1Hz頻率的信號,只允許低于或等于1Hz的信號通過。這對于需要從復(fù)雜信號中提取低頻分量或去除高頻噪聲的場合尤為重要。在電橋放大器中,由于傳感器輸出信號可能包含多種頻率成分,通過1HZ低通濾波器可以有效減少高頻噪聲的干擾,提高測量信號的信噪比和精度。
問題二:如何設(shè)計帶有1HZ低通濾波器的電橋放大器電路?
回答:設(shè)計帶有1HZ低通濾波器的電橋放大器電路時,需要綜合考慮電橋電路的設(shè)計、放大器的選擇以及濾波器的設(shè)計。以下是大致的設(shè)計步驟:
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電橋電路設(shè)計:首先,根據(jù)被測物理量的特性選擇合適的電阻傳感器,并設(shè)計相應(yīng)的電橋電路。電橋電路應(yīng)能準確地將非電量轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號,并具有一定的抗干擾能力。
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放大器選擇:選擇合適的運算放大器(運放)作為放大元件。運放應(yīng)具有低噪聲、高精度和適當(dāng)?shù)脑鲆鎺挿e,以滿足信號放大的需求。
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電路整合與調(diào)試:將電橋電路、放大器和濾波器整合在一起,形成完整的電橋放大器電路。然后,對電路進行調(diào)試,確保電路工作正常,并滿足預(yù)期的濾波和放大效果。
問題三:帶有1HZ低通濾波器的電橋放大器電路在實際應(yīng)用中有哪些注意事項?
回答:在實際應(yīng)用中,帶有1HZ低通濾波器的電橋放大器電路需要注意以下幾點:
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元件選擇:應(yīng)選擇精度高、穩(wěn)定性好的元件,如精密電阻、低噪聲運放等,以確保電路的測量精度和穩(wěn)定性。
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布局與布線:合理的電路布局和布線可以減少電磁干擾和噪聲耦合,提高電路的抗干擾能力。
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溫度補償:由于溫度變化可能影響電阻的阻值,進而影響電橋的輸出電壓,因此需要考慮溫度補償措施,以提高電路的溫度穩(wěn)定性。
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校準與標定:定期對電路進行校準和標定,以確保測量結(jié)果的準確性和可靠性。
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安全保護:在電路設(shè)計中應(yīng)加入必要的保護措施,如過流保護、過壓保護等,以防止電路在異常情況下?lián)p壞。
Amprobe是一家專業(yè)生產(chǎn)測試儀器的公司,為電子行業(yè)提供各種測試和測量解決方案。以下是Amprobe公司發(fā)展的五個相關(guān)故事:
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技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)品擴展:隨著技術(shù)的發(fā)展和市場需求的變化,Amprobe公司不斷進行技術(shù)創(chuàng)新,并擴展了產(chǎn)品線。除了傳統(tǒng)的電表和電壓計,公司開始開發(fā)數(shù)字式測試儀器、熱像儀、電池測試儀等高端產(chǎn)品,以滿足客戶對更高精度和更多功能的需求。
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DMS自創(chuàng)立之初,就致力于電子元器件的技術(shù)創(chuàng)新。公司投入大量研發(fā)資源,成功開發(fā)出一系列高性能、低成本的電子元器件,這些產(chǎn)品迅速在市場上獲得了認可。隨著技術(shù)的不斷進步,DMS不斷推出新產(chǎn)品,滿足了客戶日益增長的需求,逐漸在電子行業(yè)中樹立了技術(shù)領(lǐng)先的形象。
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