高功率密度、高效率以及小外型尺寸已成為當(dāng)前模塊電源技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動力。雙管正激電路是實現(xiàn)這些要求的實用電路之一,被廣泛應(yīng)用在中、高功率電源設(shè)計中。本文簡要介紹了雙管正激電路的工作原理及優(yōu)點,同時詳細(xì)介紹了應(yīng)用于雙管正激電路的PWM控制器MAX5051的功能和具體的實驗結(jié)果。
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過程：能量轉(zhuǎn)移階段、變壓器磁復(fù)位階段和死區(qū)階段。在能量轉(zhuǎn)移階段,原邊的兩個開關(guān)都導(dǎo)通,能量從輸入端向輸出端轉(zhuǎn)移。在變壓器磁復(fù)位階段,原邊的兩個二極管都導(dǎo)通,使變壓器繞組承受反相輸入電壓,從而實現(xiàn)變壓器磁復(fù)位。當(dāng)變壓器完全復(fù)位后,變換器工作在死區(qū)階段,即原邊無電流、副邊續(xù)流。在復(fù)位過程中,雙管正激開關(guān)MOSFET被箝位在輸入電壓。MOSFET上的電壓應(yīng)力小于單管正激,至少低一倍。這樣我們可選取具有低導(dǎo)通電阻Rdson的低電壓MOSFET,以獲得低損耗。
圖1 雙管正激變換器原理圖與波形
雙管正激電路運(yùn)行非常穩(wěn)定,受到設(shè)計人員的廣泛關(guān)注,并給予了較高評價。由于原邊的兩個開關(guān)不是使用圖騰柱結(jié)構(gòu),它們同時導(dǎo)通,這就解決了擊穿問題。對于半橋和全橋變換器來說,原邊開關(guān)使用圖騰柱結(jié)構(gòu),一旦由于電磁噪音或電磁輻射引起兩個開關(guān)同時導(dǎo)通,電路將受到破壞性的中斷。這個問題對于受高能量輻射影響的電源來說至關(guān)重要,而雙管正激電路可以避免這個問題。
基于MAX5051的參考設(shè)計
MAX5051是一款鉗位式、雙開關(guān)電源控制器IC。這款控制芯片可應(yīng)用于正激或反激結(jié)構(gòu),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(hù)機(jī)制,實現(xiàn)高度可靠的電源。當(dāng)與副邊同步整流器配合工作時,電源效率很容易達(dá)到92% (+3.3V輸出電源,工作于48V總線);集成的高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動器可為兩個外部N溝道MOSFET提供峰值在2A以上的柵極驅(qū)動電流;低啟動電流降低了啟動電阻上的功率損耗;帶有前饋控制的電壓模式控制方案可提供優(yōu)異的線路抑制,同時又避免了傳統(tǒng)的電流模式控制方案的缺陷。
MAX5051電源控制器可以在主側(cè)或副側(cè)并聯(lián)工作,必要時可用來設(shè)計冗余電源系統(tǒng)。當(dāng)主側(cè)并聯(lián)工作時,通過專用引腳可同時喚醒或關(guān)斷所有并聯(lián)單元,以防止在啟動或故障情況下發(fā)生電流失衡。MAX5051通過產(chǎn)生一路超前信號用于驅(qū)動副邊同步MOSFET,以避免副邊同步整流管和續(xù)流管的同時導(dǎo)通。利用特有的主側(cè)同步輸入/輸出引腳,可使兩個主側(cè)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(xì)的電氣原理圖。我們將該電源模塊與市場上流行的電流模式同步整流推挽電源模塊(這里我們稱其為非定制模塊)進(jìn)行了比較,從所測試的效率曲線(圖3)可以看出,基于MAX5051的模塊效率明顯提高。輕載時,比如1A輸出負(fù)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(7.5A),MAX5051模塊效率為92%,非定制模塊效率是88%。滿功率負(fù)載時,MAX5051模塊電源的效率仍比非定制模塊效率高出4%。從效率曲線對比,可以得出雙管正激電路能夠更好的滿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(fù)載電流的關(guān)系曲線(包括最小、正常和最大輸入電壓情況,25°C)
另外,MAX5051控制器采用了帶有輸入前饋的電壓控制模式,可以在一個周期內(nèi)克服輸入電源的擾動,工作原理與電流模式控制電路相同。帶有前饋的電壓模式提供了一些電流模式所不具有的顯著優(yōu)點：
無最小負(fù)載要求
干凈的調(diào)整斜率和更高的幅值提高了穩(wěn)定性
光耦穩(wěn)定的工作電流使環(huán)路帶寬最大
可預(yù)測的環(huán)路動態(tài)簡化了控制環(huán)路的設(shè)計。
從動態(tài)響應(yīng)的圖形對比中可以看到,無論是輸出過沖,還是恢復(fù)時間,MAX5051模塊都具有明顯的優(yōu)勢。
圖4 動態(tài)響應(yīng)對比圖
結(jié)語
從電路拓?fù)浞治龊途唧w的實驗中可以看到,采用MAX5051的雙管正激電路可滿足現(xiàn)代模塊電源高功率密度、高效率以及小外型尺寸的要求,并且通過采用帶有前饋的電壓模式控制,避免了傳統(tǒng)的電流模式控制方案的缺陷,提供了優(yōu)異的線路抑制。