馬川喜，王 勇

(天水華天微電子股份有限公司，甘肅天水 741000)

1 引言

單端反激式、單端正激式變換器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、元器件少、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)在開關(guān)電源得到了廣泛的應(yīng)用。反激式變換器，它正常工作時(shí)的最大占空比為45% ～50%，另外50% ～55%的時(shí)間是空閑的。正激式變換器，它正常工作時(shí)的最大占空比為40% ～50%，另外50% ～60%的時(shí)間是空閑的。嘗試如果利用另一部分的空閑時(shí)間，一方面，利用原系統(tǒng)的EMC資源以及輸入電路的工作間隙進(jìn)一步擴(kuò)大輸出功率;另一方面，還可以提供另一個(gè)輸出電壓，以滿足電子產(chǎn)品不同的供電電壓需要。只要將一個(gè)反激式、一個(gè)正激式電路放在一起，同步同頻工作，但兩路的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位上相差180°，或者說兩條通道互相交互輸出，這就是交互式單端變換的原理。筆者介紹的是一種高性能的高壓輸入雙通道交互式電流型PWM控制器LM5032。

2 開關(guān)電源工作原理

開關(guān)電源主要由輸入部分、變換器部分、輸出部分、反饋部分、控制部分和輔助部分等組成，如圖1所示。

(1)輸入部分:主要是濾除從輸入而來的雜波，干擾等。

圖1 開關(guān)電源工作原理

(2)變換器部分:包含開關(guān)管、變壓器、RCD吸收電路和饋電電路，這部分主要是能量的轉(zhuǎn)換，把初級(jí)能量轉(zhuǎn)換到次級(jí)和饋電部分。

(3)輸出部分:主要是濾除雜波和平穩(wěn)電壓，使輸出電壓不至于干擾其它的設(shè)備。

(4)控制電路:首先輸出PWM波，供開關(guān)管工作，其次用反饋回來的電壓信號(hào)控制輸出占空比，從而保證輸出電壓穩(wěn)定，第三控制電路還具有欠壓保護(hù)，過流保護(hù)，過壓保護(hù)，短路自恢復(fù)等功能?？刂齐娐钒刂菩酒屯鈬娐?。

(5)反饋電路:包含光耦隔離電路，TL431穩(wěn)壓電路等，主要是對(duì)輸出的電路進(jìn)行精調(diào)，使輸出電路達(dá)到設(shè)計(jì)的要求［1］。

3 開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)要求:

輸入電壓:18～36 V

輸出電壓:雙路5V/4A，3.3V/2A

電壓調(diào)整率:0.5%

電流調(diào)整率:0.5%

交叉調(diào)整率:0.5%

效率:85%

要求輸出電壓相互隔離。

3.2 設(shè)計(jì)方案

3.2.1 啟動(dòng)電路與輔助供電

圖2為啟動(dòng)電路和輔助供電電路。電阻R1、穩(wěn)壓管Dz1、三極管T1、二極管 D1、C3、C4組成啟動(dòng)電路，變壓器 B1、B2 輔助繞組經(jīng) D2、C18、R15、D3、C19、R16整流、濾波、限流給控制電路ⅠC1供電。啟動(dòng)后通過輔助繞組產(chǎn)生的自饋電給控制電路ⅠC1供電，由外部啟動(dòng)電路與輔助繞組供電，可以減小高壓起動(dòng)調(diào)節(jié)器的功耗。

圖2 啟動(dòng)和輔助電路

3.2.2 控制電路設(shè)計(jì)

本文采用的控制芯片為L(zhǎng)M5032，包含2個(gè)獨(dú)立的電流型DC/DC所需的全部特征，每個(gè)通道都包含完整的PWM控制、電流檢測(cè)輸入、軟啟動(dòng)及輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，但兩通道采用一個(gè)VCC調(diào)整器供電及欠壓鎖定保護(hù)，2MHz振蕩器，可調(diào)最大占空比設(shè)置，打嗝式故障保護(hù)，可以外同步，反饋可與光耦直接接口，芯片內(nèi)置了過熱保護(hù)功能。電路如圖3所示。

(1)振蕩器 振蕩頻率設(shè)置方式為外接R6，電阻接于RT/SYNC到GND之間，R6阻值計(jì)算如下:

式中:fs為振蕩器頻率，單位kHz。R6的單位是kΩ。兩個(gè)柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器(OUT1及OUT2)輸出振蕩器開關(guān)頻率的一半，相位差為180°。LM5032能夠應(yīng)用外部同步時(shí)鐘信號(hào)加到振蕩器引腳，以實(shí)現(xiàn)多模塊應(yīng)用時(shí)的同步。不管是自己產(chǎn)生振蕩，還是由外同步信號(hào)提供振蕩，電阻R6必需要加上。

(2)最大占空比 最大占空比可以用RDCL來設(shè)置，從DCL端到地接一個(gè)電阻R5即可，根據(jù)下面公式:

式中:RT是振蕩器頻率定時(shí)電阻R6，接在RT/SYNC端。RDCL為電阻值R5必須在RT計(jì)算之后決定。

圖3 控制電路

(3)軟啟動(dòng) 每個(gè)軟啟動(dòng)電路都允許相應(yīng)的調(diào)整器去逐步地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)工作點(diǎn)，以此減小啟動(dòng)電流的浪涌及輸出的過沖。當(dāng)VCC增加到超過其UVLO閾值時(shí)，SS端被釋放，內(nèi)部50 μA電流源給外接電容充電，每個(gè) COMP端的電壓也跟隨 SS端上升，當(dāng)COMP端達(dá)到1.5 V時(shí)，輸出脈沖在低占空比之下出現(xiàn)，SS端電壓連續(xù)增加，并在達(dá)到5 V時(shí)飽和，每個(gè)COMP端電壓則根據(jù)調(diào)整器所需值增加，這時(shí)COMP開始由輸出電壓的反饋環(huán)控制，而不再受控于SS端。

(4)過熱關(guān)斷 LM5032工作的最高結(jié)溫不能超過165℃，如果結(jié)溫瞬時(shí)達(dá)到165℃，則過熱關(guān)斷電路被激活，VCC被禁止，驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷。當(dāng)結(jié)溫降到145℃以下時(shí)，VCC調(diào)節(jié)器又恢復(fù)并按順序啟動(dòng)。

在二層接入交換機(jī)Access端口上啟用PortFast特性，一方面可以使其端口立即進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，最大限度的減少等待STP的收斂時(shí)間.另一方面可以使端口在發(fā)生UP或DOWN狀態(tài)變化時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生TCN BPDU消息.這一點(diǎn)對(duì)于大型網(wǎng)絡(luò)來說，可以有效避免因大規(guī)模PC機(jī)開關(guān)機(jī)，造成大量TCN BPDU消息交換現(xiàn)象的發(fā)生.

(5)欠壓鎖定 LM5032包含一個(gè)線路欠壓鎖定電路UVLO，當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓超過設(shè)計(jì)值時(shí)能有計(jì)劃地調(diào)整VCC電壓和輸出驅(qū)動(dòng)器。UVLO的比較器的設(shè)定值是1.25 V，從電源輸入端接一電阻分壓器R2、R3到地分壓后接到此端。當(dāng)該腳電壓高于設(shè)定值時(shí)電路按設(shè)計(jì)要求導(dǎo)通，低于設(shè)定值時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出和VCC調(diào)整器將關(guān)閉，LM5032進(jìn)入低功率模式［2］。

3.2.3 變換器電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的輸出為3.3 V輸出由反激式變換器組成，5 V輸出由正激式變換器組成。首先，確定每個(gè)PWM控制器的開關(guān)頻率為300 kHz。

(1)反激式變換器設(shè)計(jì)

①最大占空比Dmax=0.4

②變壓器原邊繞組電流峰值Ipk

式中:η為變壓器的轉(zhuǎn)換效率;Po為輸出功率，W;VminDC為最小輸入電壓，V。

③最小占空比Dmin和最大占空比Dmax

其中:K=VmaxDC/VminDC

④變壓器原邊電感量LP

式中:TS為開關(guān)管的周期，LP單位H。

⑤選擇最小尺寸的磁芯［3］

從磁芯的數(shù)據(jù)資料表中，選擇最適合的磁芯材料及形狀。繞線窗口面積AC和磁芯的有效截面積Ae用下式表示:

式中:D為絕緣導(dǎo)線的最大直徑，mm;ΔBmax為最大磁感應(yīng)強(qiáng)度變化值，T。

⑥變壓器的氣隙Lg

式中:Ae為磁芯的有效截面積，cm2;ΔBmax為最大磁感應(yīng)強(qiáng)度變化值，T;LP，H;Ipk，A;Lg，cm。

⑦變壓器原邊匝數(shù)NP

式中:ΔBmax單位為 T，Ae單位為 cm2;TS單位為 s。

⑧變壓器副邊匝數(shù)Ns

⑨功率開關(guān)管的選擇

在單端反激式電源變壓器電路中，開關(guān)管在截至?xí)r，其D極與S極必須承受至少兩倍的輸入電壓，通常使用吸收回路減輕開關(guān)管的負(fù)擔(dān)。開關(guān)管的最小電壓應(yīng)為:UDS=VmaxDC/(1-Dmax)，功率開關(guān)管在導(dǎo)通的峰值電流 IFM=2Po/ηVminDCDmax。

⑩整流二極管

對(duì)于單端反激式變換器電路中，整流二極管的反向截止電壓值至少應(yīng)等于1.2VmaxDC×Ns/Np，整流二極管必須提供的最小峰值正向電流應(yīng)等于IFM=2Io/(1-Dmax)。

(2)正激式變換器設(shè)計(jì)

①最大占空比Dmax=0.6。

②初級(jí)匝數(shù)Np

式中:VminDC為施加在初級(jí)繞組上的最小輸入電壓，V;Tonmax為最大導(dǎo)通時(shí)間，μs;Ae為磁芯有效截面積，mm2;ΔBmax為最大磁感應(yīng)強(qiáng)度變化值，T。

③次級(jí)匝數(shù)Ns

④功率開關(guān)管的選擇

在單端正激式電源變壓器電路中，開關(guān)管的最小電壓應(yīng)為:UDS=VmaxDC/(1-Dmax)，功率開關(guān)管在導(dǎo)通的峰值電流 IFM=6.2Po/VminDC。

⑤整流二極管和續(xù)流二極管

對(duì)于單端正激式變壓器電路中，整流二極管、續(xù)流二極管的反向截止電壓值至少應(yīng)等于1.2 VmaxDC×Ns/Np，輸出二極管的最小峰值正向電流應(yīng)等于IFM=IoDmax。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及波形

實(shí)驗(yàn)具體參數(shù)如下:輸入電壓DC 18～36 V，輸出電壓DC一路5 V/4 A，另一路3.3 V/2 A，測(cè)試結(jié)果如表1所列。

表1 測(cè)試結(jié)果

圖4為27 V輸入3.3 V輸出滿載時(shí)MOSFET功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形及功率開關(guān)管DS間波形。圖5為27 V輸入5 V輸出滿載時(shí)MOSFET功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形及功率開關(guān)管DS間波形。圖6為27 V輸入3.3 V、5 V輸出端的波形。

圖4 3.3 V輸出滿載時(shí)功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形及功率開關(guān)管DS間波形

圖5 5 V輸出滿載時(shí)功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形及功率開關(guān)管DS間波形

圖6 3.3V及5V輸出端的波形

5 結(jié)語

LM5032是一種高性能的高壓輸入雙通道交互式電流型PWM控制器，包含兩個(gè)獨(dú)立的電流型DC/DC所需的全部特性，安裝與調(diào)試方便、性能優(yōu)良。本文使用 LM5032與基準(zhǔn) TLV431、TL431及光耦

PS2703-1分別構(gòu)成單端反激、單端正激變換器，能較好地滿足電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、輸出電壓精度的要求。電流型設(shè)計(jì)能有效防止變壓器的飽和，

LM5032兩個(gè)輸出信號(hào)互為180°交互輸出，為需要雙路穩(wěn)定輸出電源的設(shè)計(jì)提供了良好地選擇，不需要兩個(gè)控制芯片，不僅有效地減小輸入紋波的要求，而且減少了控制電路周圍的元器件，節(jié)約空間和成本。

［1］ 王 勇.開關(guān)電源自激問題的探討［J］.電源世界，2012(12):34-37.

［2］ 楊 恒.開關(guān)電源典型設(shè)計(jì)實(shí)例精選［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

［3］ 戴志平.開關(guān)電源工程調(diào)試技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2009.