采用雙管正激拓?fù)錁?gòu)建高性能模塊電源設(shè)計(jì)

引言

　　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(dòng)力。雙管正激電路是實(shí)現(xiàn)這些要求的實(shí)用電路之一，被廣泛應(yīng)用在中、高功率電源設(shè)計(jì)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(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(shí)驗(yàn)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(gè)過(guò)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(gè)開(kāi)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(gè)二極管都導(dǎo)通，使變壓器繞組承受反相輸入電壓，從而實(shí)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(wú)電流、副邊續(xù)流。在復(fù)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(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(jì)人員的廣泛關(guān)注，并給予了較高評(píng)價(jià)。由于原邊的兩個(gè)開(kāi)關(guān)不是使用圖騰柱結(jié)構(gòu)，它們同時(shí)導(dǎo)通，這就解決了擊穿問(wèn)題。對(duì)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(jié)構(gòu)，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(dǎo)通，電路將受到破壞性的中斷。這個(gè)問(wèn)題對(duì)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(shè)計(jì)

　　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(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(duì)各種可能的故障提供全面的保護(hù)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)高度可靠的電源。當(dāng)與副邊同步整流器配合工作時(shí)，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(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(qū)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)異的線路抑制，同時(shí)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(shí)可用來(lái)設(shè)計(jì)冗余電源系統(tǒng)。當(dāng)主側(cè)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(hào)用于驅(qū)動(dòng)副邊同步MOSFET，以避免副邊同步整流管和續(xù)流管的同時(shí)導(dǎo)通。利用特有的主側(cè)同步輸入/輸出引腳，可使兩個(gè)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(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(cè)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(shí)，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(shí)（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(shí)，MAX5051模塊電源的效率仍比非定制模塊效率高出4%。從效率曲線對(duì)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(gè)周期內(nèi)克服輸入電源的擾動(dòng)，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(diǎn)：

　　無(wú)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(cè)的環(huán)路動(dòng)態(tài)簡(jiǎn)化了控制環(huán)路的設(shè)計(jì)。
　　從動(dòng)態(tài)響應(yīng)的圖形對(duì)比中可以看到，無(wú)論是輸出過(guò)沖，還是恢復(fù)時(shí)間，MAX5051模塊都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。