通常情況下，設計隔離式DC-DC轉換器時(shí)遇到的最大阻礙便是變壓器設計，設計者往往因此望而卻步，從而選擇其它更簡(jiǎn)捷的設計任務(wù)。利用市售的柵極驅動(dòng)變壓器特性，就可以獲得四個(gè)單獨的隔離直流輸出。實(shí)際上，對于小功率DC-DC電源轉換，柵極驅動(dòng)變壓器是個(gè)理想的選擇，因為這種變壓器已經(jīng)做了電壓和時(shí)間大乘積(ET或伏特微秒乘積)以及低漏電感的優(yōu)化。

 

一款高磁導率且在高開(kāi)關(guān)頻率(FSWX)下有低損耗的磁芯可支持一般的10V~15V初級電壓，且在100kHz~500kHz開(kāi)關(guān)頻率時(shí)有500ns~5μs的典型導通時(shí)間。該電壓和時(shí)間范圍正是DC-DC轉換器設計所需。同時(shí)，已經(jīng)針對低泄漏電感選擇了一種磁芯幾何尺寸以及繞組結構，以減少上升和下降時(shí)間，同時(shí)有低的振鈴。最后，所使用的線(xiàn)規足以讓DC-DC轉換器處理數10mA級的繞組電流，而沒(méi)有過(guò)多的銅線(xiàn)損耗。

 

Pulse Electronics公司的P0585柵極驅動(dòng)變壓器含有五個(gè)繞組，每個(gè)繞組圈數都相同(參考文獻1)。其中一個(gè)繞組使用三層絕緣線(xiàn)(TIW)，另外四個(gè)繞組使用標準繞組線(xiàn)。TIW繞組作為初級驅動(dòng)，可獲得一個(gè)RMS為3kV的標稱(chēng)主次級擊穿電壓。四個(gè)次級繞組之間的額定擊穿電壓并未確定，不過(guò)這種導線(xiàn)絕緣方式通常會(huì )用于離線(xiàn)電源情況，此時(shí)，各繞組之間的電壓可高達400V。

 

隔離式電源輸出提供了很大的靈活性。使用這種方式可以在不同地電勢情況下，更加方便地打斷接地環(huán)路，為遠程電路供電，并且簡(jiǎn)化了對正負輸出電壓極性的選擇。下圖展示了這種變壓器的四個(gè)次級繞組，它們產(chǎn)生四個(gè)獨立的等電壓輸出。但這四個(gè)次級繞組可以有多種串/并結合，從而產(chǎn)生大量輸出電壓/電流的組合。

美信半導體生產(chǎn)的MAX13256H-橋電路變壓器驅動(dòng)器(IC1)最適合用于此類(lèi)應用。它包含一個(gè)獨立的變壓器隔離DC-DC轉換器所需要的全部功能。其內置FET可承受36V電壓，并配置為兩個(gè)獨立的推挽式輸出，以精確的50%占空比驅動(dòng)變壓器的初級，避免了鐵芯飽和。該驅動(dòng)器還包含可調的、強健的內部限流功能，從而為輸出提供短路保護，且在故障排除之后能夠完美地恢復。該驅動(dòng)也包含欠壓鎖定(UVLO)功能，在輸入電壓過(guò)低時(shí)阻止開(kāi)關(guān)活動(dòng)。

 

增加的凌力爾特公司LTC6900時(shí)鐘源(IC2)用于精確地調整開(kāi)關(guān)頻率。MAX13256本身有一個(gè)內部時(shí)鐘，但是考慮到整個(gè)系統的兼容性或EMI原因，大多數用戶(hù)可能會(huì )更傾向于自己設定開(kāi)關(guān)頻率。MAX13256支持使用一個(gè)外部TTL電平時(shí)鐘，而且其UVLO特性確保IC1的VIN極上升到導通閾值前，IC2就上電并運行。RSET的值決定了IC2的輸出頻率，該頻率設定為所需IC1開(kāi)關(guān)頻率的兩倍。

 

上表中為開(kāi)關(guān)頻率為100kHz和500kHz時(shí)，輸入電壓為10V、12V和15V情況下的測量結果。由于采用高開(kāi)關(guān)頻率、低漏電電感及肖特基橋式整流器，即使用了低值(1μF)的表面安裝陶瓷輸出電容，輸出電壓的紋波也很小，不到20mV峰峰值。表中還給出了效率，以及因輸出未穩壓而造成輸出電壓與負載電流之間的變動(dòng)關(guān)系。如果需要更低的噪聲或者嚴格穩定的直流輸出，可以使用線(xiàn)性穩壓器來(lái)調節輸出電壓。

 

從這些測量結果可看出，滿(mǎn)載是產(chǎn)生500mA峰值初電流時(shí)的負載。這是當RLIM為1kΩ時(shí)的MAX13256最小限流閾值。一些設計者可能想在低于這些經(jīng)驗性的滿(mǎn)載電流水平上進(jìn)行操作，從而獲得更多裕度，以防止虛假的大電流觸發(fā)。在較高開(kāi)關(guān)頻率下可以看到輕載輸出電壓的提升，原因是：這是一種為求簡(jiǎn)捷和高效而使用了較少阻尼器的設計。隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率升高，產(chǎn)生了更多的漏電感能量，這些能量傳遞到次級繞組，提高了所測得的輸出電壓。

 

以下為檢驗該變壓器運行參數是否符合數據手冊規范的簡(jiǎn)要說(shuō)明。P0585變壓器有一個(gè)95Vμsec最大ET乘積。這個(gè)計算結果是初級繞組上施加的最大電壓與該電壓所持續最大時(shí)間(導通時(shí)間)的乘積。由于MAX13256是以精確的50%占空比驅動(dòng)變壓器初級，最大ET乘積將出現在輸入電壓為15V時(shí)。在本設計中的100kHz最小開(kāi)關(guān)頻率下，最長(cháng)導通時(shí)間為5μs，所以最大ET乘積為75Vμsec，該值符合數據手冊規范。

峰值磁通密度規格為2100G。在計算峰值磁通，數據手冊中的方程式2A和2B均基于VIN和開(kāi)關(guān)頻率。同樣，峰值磁通密度出現于VIN為15V且開(kāi)關(guān)頻率為100kHz時(shí)。注意在方程式2A中，“DON”為50%占空比或0.5，而不是單位為微秒的時(shí)間。在這些情況下，所計算的峰值磁通密度為1512高斯，符合數據手冊中的規格。

 

運用變壓器數據手冊中的公式可計算出磁芯損耗。在100kHz時(shí)，損耗為0.468W，在500kHz時(shí)，損耗為0.117W，后者數值較小，原因是有較低的ET積。

 

運用變壓器數據手冊中的公式可算出銅線(xiàn)損耗為93.75mW。這個(gè)計算銅線(xiàn)損耗的簡(jiǎn)化公式是基于繞組的I2R損耗，而未考慮繞組的趨膚或接近效應。因此，這些簡(jiǎn)化結果與頻率無(wú)關(guān)，而是基于初級繞組中的±500mA峰值電流，以及四個(gè)次級繞組中各自的±125mA峰值電流。

 

使用變壓器數據手冊中的升溫公式以及上述計算的總損耗(100kHz下為561.75mW)，可得預期變壓器的溫升為37.2℃。

 

本設計使用P0585柵極驅動(dòng)變壓器，您也可以使用其他(更小的)市售柵極驅動(dòng)變壓器，尤其是需要較少電壓輸出，以及較小電流的時(shí)候。只需要確保您參照本設計所述方法檢查了變壓器的最大Vμsec規范。