新型電信/數據通信服務(wù)器電源的設計

前言

新一代電子線(xiàn)路迅速發(fā)展的重要標志是功能和密度很高的高性能板卡的大量面世。面臨這種新趨勢，那么電源如何以最為廉價(jià)和高效的方式為這些高性能扳卡供電?這就是當今對電源需求的一種新挑戰和新機遇。面對如此的現實(shí),我們采用 “商品化設計” 和“優(yōu)化設計”的思想來(lái)解決電源應具備的高效和廉價(jià),乃至靈活與系列。即應用新一代MAX5003電源控制芯片來(lái)設計新型電信/數據通信服務(wù)器電源。該新型電信/數據通信服務(wù)器電源在當前可被大量用于電信/數據通信, 它適用于中央辦公室、PBX(專(zhuān)用小交換機)、服務(wù)器以及任何輸入電壓需要為±36V至±72V的其它應用場(chǎng)合。其DC-DC電源的典型輸出功率可在10W或100W更高，輸出電壓為5V。本文要介紹的是50W的電信/數據通信/服務(wù)器電源的設計方案。

一、 設計思想

對這類(lèi)模塊電源要求,關(guān)鍵有3點(diǎn)：第一、要求初、次級之間的電氣隔離;第二、在很寬的輸入電壓范圍內保持高效率;第三、應有足夠的可靠性。據此，亦稱(chēng)該電源為可用于電信/數據通信的隔離式開(kāi)關(guān)電源。

1.以MAX5003芯片作為電源控制器設計本電源,其總電原理圖(±48輸入，5V/10A輸出)如圖1所示,電源的技術(shù)指標見(jiàn)表1所示。

2. 源電路的拓撲方案

(1) 采用單管正激變換器的拓撲方案。

該方案既簡(jiǎn)單又廉價(jià)而且在整個(gè)工作范圍內具有比較高的效率和功率密度。(見(jiàn)圖1) 其隔離元件是一個(gè)純粹的脈沖變壓器T,并在這種拓撲的基礎上需增加一個(gè)磁芯復位繞組T1-3、4 (與初級繞組T1-1、2的匝數相同并緊密耦合)見(jiàn)圖1。 該T1-3、4復位繞組與二極管D5組成復位電路,其作用是當每個(gè)脈動(dòng)工作磁通之后，能每個(gè)周期的去掉變壓器磁芯剩磁通，防止因剩磁通累加導致變壓器磁芯飽和將功率開(kāi)關(guān)器件Q1被損壞。

(2) 為此,有必要對正激變換器拓撲結構(圖2所示)作一簡(jiǎn)述：

(a)中,脈沖隔變壓器T1初級繞組與次級繞組繞組的極性為同名端，因而向次級電路的能量(功率)傳送發(fā)生在功率開(kāi)關(guān)Q1導通的時(shí)間內，即功率開(kāi)關(guān)Q1導通時(shí),DO1為正向偏置(DO2為反向正向偏)把變壓器T1初級能量的儲存到了電感L中. 而當Q1截止時(shí),則DO1為反向偏置而續流二極管DO2為正向偏置, 并承載了全部電感電流.就這樣在輸出回路中儲存電感L中的能量通過(guò)電感L連續的傳遞給了負載。此時(shí)連接于復位繞組的 DC1因其導通(當其復位繞組感應電壓超過(guò)電源電壓Vin時(shí))使儲存于變壓器磁芯的能量返回到輸入電源并循環(huán)使用。在圖2(b)中所示,其功率開(kāi)關(guān)Q1的漏極電流Id接近于矩形，具有一個(gè)小的基座。Isec為次級電流。

3. 變壓器T1初次級之間的隔離電壓可達1500v。

4. 自饋電路供電

當電源啟動(dòng)之后，控制電路芯片MAX5003由變壓器T1初級T1-5、6繞組側所組成的自饋電路供電使效率有所提高。本開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率可達250KHz。為此，儲能元件電感L1和變壓器T1尺寸可大大縮小。

二、脈寬調制PWM控制電路

采用新一代電源控制器的代表MAX5003芯片為核心及其外圍元器件所組成脈寬調制PWM控制電路。

MAX5003控制芯片的簡(jiǎn)化框見(jiàn)圖3所示。之所以它是新一代電源控制器的代表, 因該IC芯片內部集成了設計電信電源所必需的許多功能, 如包含了一個(gè)可以加速初速化(軟啟動(dòng))過(guò)程的高壓?jiǎn)?dòng)電路; 特別需要指出是，它具有獨特的電壓前饋補償功能,使穩壓型電信電源的隔離與設計得到很大的簡(jiǎn)化，對此先作說(shuō)明。

1.電壓前饋補償功能。電壓前饋補償對開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的設計要素,因它可以迅速響應輸入電壓的化，在單個(gè)周期內修正占空比，不需要緩慢的電壓控制環(huán)的介入, 從而明顯改善輸入抑制能力。為此大大有助于提穩定的功率增益。

三、關(guān)于啟動(dòng)電路的設定

1.MAX5003控制器內含一個(gè)高壓預調節器,即耗盡型FET三極管預調節器(見(jiàn)圖3所示), 它的漏極通過(guò)芯片引腳1(V+)接連至輸入電壓Vin，從V+引腳饋入功率, 使其導通，并消耗較大功率。此時(shí)該預調節器的作用是，使輸入電壓Vin，下降到能夠驅動(dòng)第一個(gè)低壓差調節器 (LDO1 Linear Reguator) 數值內，LDO1輸入端由ES引腳引出并通過(guò)一小型陶瓷電容C1去耦。

2.Vdd電壓限制器

由變壓器T1初級偏置繞組T1-5、6的輸出經(jīng)D3管整流后送至由R14、三極管Q2和穩壓管Z1(穩壓值為14V∽15.5V)構成的電壓調節電路, 其作用可將直接供給芯片的Vdd電壓限制在一個(gè)安全范圍內。

3.偏置繞組T1-5、6工作在反激變換器模式

這和工作在正激模式的功率級正好相反，這可以節成本省掉一個(gè)濾波電感。而反激模式繞組所提供的能量來(lái)源于在功率開(kāi)關(guān)Q1導通期間儲存于變壓器T1初級電感中的能量。

4. 啟動(dòng)過(guò)程分二步:

* 當開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，由第一個(gè)調節器LDO1 產(chǎn)生Vdd電源并接到外部引腳16上，并迫使Vdd端電壓高出10.75v, 使第一個(gè)LDO1將被禁止，關(guān)斷了高耗盡型FET預調節器, 從而降低了芯片的功率消耗，這點(diǎn)對于了輸入電壓Vin比較高時(shí)尤為重要。

* 由連接在Vdd LDO1之后的第二個(gè)線(xiàn)性調節器(LDO2 Linear Reguator) 的輸出用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)Vcc電壓，該Vcc電壓是用來(lái)給芯片內部邏輯電路、模擬電路和外部功率MOSFET三極管的驅動(dòng)器供電。需要強調的是，此該Vcc調節器具有一條鎖定線(xiàn)，可以在產(chǎn)生Vcc 未穩定時(shí)將N溝道功率MOSFET驅動(dòng)器的輸出到地短路。

四、脈沖隔離變壓器T參數的設定

變壓器T參數的設定見(jiàn)表2所示，其變壓器電原理見(jiàn)圖1所示，各繞組的相位關(guān)系由端點(diǎn)的黑標表示。

因該降壓高頻脈沖變壓器是一個(gè)隔離元件，故設計參數時(shí)應考慮以下幾個(gè)指標：

1.引發(fā)工作損耗的初、次級的直流電阻和交流電阻，其交流損耗部分是由于高頻趨膚與鄰近效應及渦流所引起，為此線(xiàn)圈結構的選擇對于這種損耗有重大影響。本設計中選用磁芯結構的規格為EFD20型其材料為高頻鐵氧體。

2.漏感。這是非常關(guān)鍵的雜散參數，它的大小直接影響向次級傳送功率的效果，因此必須降低該參數，而低漏感也可降低初級損耗。本設計中，部分漏感能量被開(kāi)關(guān)管Q1耗散掉。

3.勵磁電感 這是從初級端T1-1、2看進(jìn)去而同時(shí)其它所有繞組端子均開(kāi)路時(shí)電感。

五、輸出與反饋電路

1.在變壓器次級二端選用RC網(wǎng)絡(luò )(R13/C12)并聯(lián), 以此降低次級輸出的振蕩。

2.選用低正向壓降的雙肖特基二極管D4作為整流管，SBL2040CT型二極管額定電流為20A，反向擊穿電壓為40v。應加散熱器進(jìn)行冷卻，因流過(guò)D4管整流的總平均電流為10A，其功率耗散為5.5W。圖4為次級側的輸出波形，波形上的負向尖峰電壓，將被二極管D4所吸收。

需要注意的是：為降低EMI并改善功率傳送的效率,從變壓器T1次級到肖特基二極管D4間的距離要盡可能短。

3.L1電感量為4.7μh,它是一個(gè)低串聯(lián)電阻、低損耗、大電流電感,能傳送10A電流。輸出電容可用旦電解電容或鋁解電容C7 C13 C14，為進(jìn)一步降低的開(kāi)關(guān)噪聲，還并聯(lián)0.1uf陶瓷電容C15，本電路中通過(guò)電容的交流RMS電流約為0.8A RmS，所以應安全地平滑紋波電流。

4.由U3(TL431AID)高精度穩壓器和U2(MOC27)光耦合器等組成反饋電路, 以實(shí)現對輸出電壓的穩定控制。

為此,通過(guò)接于Vout輸出端和TL431基準端之間的分壓電阻R11/R12，將U3的輸出1腳(TL431的陰極)設定在穩定的5v(即將TL431接成為恒壓源),并接于MOC27輸入端LED發(fā)光二極管的負極，而MOC27輸出回路(光敏三極管的C極與e極) 接至芯片MAX5003的CON腳與地。其穩壓控制過(guò)程是：若Vout電壓升高時(shí)，則流過(guò)MOC27中LED的電流將增加(即TL431的陰極電流增加), 則光敏三極管的電流Ice增加而Uc電位下降，從而使MAX5003占空比降下來(lái)，又使Vout輸出電壓下降,實(shí)現了Vout輸出電壓的穩定。反之，當Vout電壓降低時(shí)，工作過(guò)程相反，也將Vout輸出電穩定。