基于雙管正激的模塊電源設計

引言

高功率密度、高效率以及小外型尺寸已成為當前模塊電源技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵驅動(dòng)力。雙管正激電路是實(shí)現這些要求的實(shí)用電路之一,被廣泛應用在中、高功率電源設計中。本文簡(jiǎn)要介紹了雙管正激電路的工作原理及優(yōu)點(diǎn),同時(shí)詳細介紹了應用于雙管正激電路的PWM控制器MAX5051的功能和具體的實(shí)驗結果。

雙管正激轉換器

圖1 雙管正激轉換器和工作波形

雙管正激變換器的原理圖與波形如圖1所示。雙管正激變換器的工作可以分為三個(gè)過(guò)程：能量轉移階段、變壓器磁復位階段和死區階段。在能量轉移階段,原邊的兩個(gè)開(kāi)關(guān)都導通,能量從輸入端向輸出端轉移。在變壓器磁復位階段,原邊的兩個(gè)二極管都導通,使變壓器繞組承受反相輸入電壓,從而實(shí)現變壓器磁復位。當變壓器完全復位后,變換器工作在死區階段,即原邊無(wú)電流、副邊續流。在復位過(guò)程中,雙管正激開(kāi)關(guān)MOSFET被箝位在輸入電壓。MOSFET上的電壓應力小于單管正激,至少低一倍。這樣我們可選取具有低導通電阻Rdson的低電壓MOSFET,以獲得低損耗。

雙管正激電路運行非常穩定,受到設計人員的廣泛關(guān)注,并給予了較高評價(jià)。由于原邊的兩個(gè)開(kāi)關(guān)不是使用圖騰柱結構,它們同時(shí)導通,這就解決了擊穿問(wèn)題。對于半橋和全橋變換器來(lái)說(shuō),原邊開(kāi)關(guān)使用圖騰柱結構,一旦由于電磁噪音或電磁輻射引起兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導通,電路將受到破壞性的中斷。這個(gè)問(wèn)題對于受高能量輻射影響的電源來(lái)說(shuō)至關(guān)重要,而雙管正激電路可以避免這個(gè)問(wèn)題。

基于MAX5051的參考設計

MAX5051是一款鉗位式、雙開(kāi)關(guān)電源控制器IC。這款控制芯片可應用于正激或反激結構,輸入電壓范圍是11V至76V。它針對各種可能的故障提供全面的保護機制,實(shí)現高度可靠的電源。當與副邊同步整流器配合工作時(shí),電源效率很容易達到92% (+3.3V輸出電源,工作于48V總線(xiàn));集成的高側和低側柵極驅動(dòng)器可為兩個(gè)外部N溝道MOSFET提供峰值在2A以上的柵極驅動(dòng)電流;低啟動(dòng)電流降低了啟動(dòng)電阻上的功率損耗;帶有前饋控制的電壓模式控制方案可提供優(yōu)異的線(xiàn)路抑制,同時(shí)又避免了傳統的電流模式控制方案的缺陷。

MAX5051電源控制器可以在主側或副側并聯(lián)工作,必要時(shí)可用來(lái)設計冗余電源系統。當主側并聯(lián)工作時(shí),通過(guò)專(zhuān)用引腳可同時(shí)喚醒或關(guān)斷所有并聯(lián)單元,以防止在啟動(dòng)或故障情況下發(fā)生電流失衡。MAX5051通過(guò)產(chǎn)生一路超前信號用于驅動(dòng)副邊同步MOSFET,以避免副邊同步整流管和續流管的同時(shí)導通。利用特有的主側同步輸入/輸出引腳,可使兩個(gè)主側電路相差180°工作,增加輸出功率并降低輸入紋波電流。

Maxim電源部制作了一款基于MAX5051的隔離電源模塊,圖2是詳細的電氣原理圖。我們將該電源模塊與市場(chǎng)上流行的電流模式同步整流推挽電源模塊(這里我們稱(chēng)其為非定制模塊)進(jìn)行了比較,從所測試的效率曲線(xiàn)(圖3)可以看出,基于MAX5051的模塊效率明顯提高。輕載時(shí),比如1A輸出負載,MAX5051模塊電源的效率大于62%,而非定制模塊的效率則小于58%。在輸出功率為半載時(shí)(7.5A),MAX5051模塊效率為92%,非定制模塊效率是88%。滿(mǎn)功率負載時(shí),MAX5051模塊電源的效率仍比非定制模塊效率高出4%。從效率曲線(xiàn)對比,可以得出雙管正激電路能夠更好的滿(mǎn)足模塊電源高效率的要求。

圖2 電氣原理圖

圖3 正常輸出電壓下效率與負載電流的關(guān)系曲線(xiàn)(包括最小、正常和最大輸入電壓情況,25°C)