本文介紹了一款適用于電信應(yīng)用的 50W 開關(guān)電源。該電源是一個(gè)高頻正激式轉(zhuǎn)換器，提供隔離式 5V @ 10A，具有 1% 的線路和負(fù)載調(diào)整率。在考慮反激式和降壓轉(zhuǎn)換器后，選擇降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹＿x用MAX5003控制IC;描述了其特性和電路。顯示并討論重要的波形;電力變壓器有詳細(xì)說(shuō)明;討論了輸入、輸出和反饋電路。性能詳細(xì)，并提供首選PCB布局。

這種 50W 隔離式電源設(shè)計(jì)可用于以最少的額外工程工作替換購(gòu)買的電源。這種方法的優(yōu)點(diǎn)還包括適應(yīng)定制占地面積和大幅降低成本。

挑戰(zhàn)

電源通常是事后才想到的。購(gòu)買的電源“磚”是一種快速解決方案，但具有明顯的缺點(diǎn)，例如尺寸、散熱器和氣流要求、交貨時(shí)間長(zhǎng)、配置有限以及總體成本較高。內(nèi)部設(shè)計(jì)通常更符合產(chǎn)品要求，但如果沒(méi)有專門的電源設(shè)計(jì)工程師團(tuán)隊(duì)，似乎是不可能的。

“現(xiàn)成”設(shè)計(jì)

一些半導(dǎo)體公司正在提供參考設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)可以大大簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)，并使定制電源設(shè)計(jì)觸手可及?！艾F(xiàn)成設(shè)計(jì)”可以快速生產(chǎn)更小、更易于集成、性能更好的電源，并提供更低的成本和更長(zhǎng)的上市時(shí)間。

電信/數(shù)據(jù)通信/服務(wù)器電源

目前需求量很大的一種電源是電信、數(shù)據(jù)通信型。此類電源用于中心局、PBX 和服務(wù)器，通常使用 36V 至 72V 的輸入電壓。它們的典型輸出功率水平范圍約為 10W 至 100W 甚至更高。這些電源的重要要求是初級(jí)和次級(jí)之間的電氣隔離、寬輸入電壓范圍內(nèi)的高效率以及耐用性。然而，由于隔離要求，這種電源的設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。

50W隔離電源

圖 1 顯示了一個(gè) 50W“現(xiàn)成設(shè)計(jì)”電源。這是一個(gè)具有5V穩(wěn)壓輸出的隔離電源。表 1 總結(jié)了一些目標(biāo)規(guī)格。

圖1.≈48V 輸入和 5V 輸出 @ 10A 隔離電源示意圖。

表 1.目標(biāo)規(guī)格摘要

電源電路拓?fù)?/p>

在幾種可用的功率拓?fù)渲?，?a target="_blank">晶體管正激拓?fù)涮峁┝俗詈?jiǎn)單的低成本解決方案，同時(shí)在整個(gè)工作功率范圍內(nèi)提供了非常好的效率。但是，這種拓?fù)湫枰粋€(gè)連接到引腳T1-3和T1-4的變壓器復(fù)位繞組。之所以選擇正激式轉(zhuǎn)換器，是因?yàn)樵谶@些功率水平下，它比反激式轉(zhuǎn)換器具有更高的功率密度和更高的效率。雖然一階反激式拓?fù)湓韴D往往看起來(lái)更簡(jiǎn)單，但這些轉(zhuǎn)換器更難處理（參見下面的簡(jiǎn)要比較）。變壓器T1在初級(jí)和次級(jí)之間提供必要的隔離，在本例中為1500V。此外，通過(guò)在初始啟動(dòng)后為初級(jí)（T1-5、T1-6引線）中的控制電路供電，可以提高效率。選擇250kHz開關(guān)頻率，以最小化儲(chǔ)能組件，如變壓器。

正激式和反激式轉(zhuǎn)換器：比較

圖2a顯示了正激式轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)配置。當(dāng)電源開關(guān)Q1導(dǎo)通時(shí)，將功率傳輸?shù)酱渭?jí)側(cè)電路。幾乎所有正向電源都以連續(xù)導(dǎo)通模式工作，這意味著在下一個(gè)周期開始之前，電感能量不會(huì)完全耗盡。漏極電流 Id 呈矩形，帶有輕微的基座。當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，Do1反向偏置，而Do2正向偏置，承載整個(gè)電感電流。連接到Dcl陰極的復(fù)位繞組允許通過(guò)將存儲(chǔ)在變壓器鐵芯中的能量返回到輸入源來(lái)回收能量。

圖2b顯示了反激式轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)。在這種情況下，到次級(jí)的電源傳輸發(fā)生在Q1關(guān)閉后。存儲(chǔ)在變壓器鐵芯中的能量被輸送到負(fù)載。對(duì)于低功耗應(yīng)用，反激式轉(zhuǎn)換器的成本往往較低，因?yàn)樗鼈儾恍枰敵鲭姼?。然而，有時(shí)使用一個(gè)小的濾波電感來(lái)減少輸出電壓處存在的高頻尖峰。反激式轉(zhuǎn)換器通常在不連續(xù)模式下工作，這意味著存儲(chǔ)在變壓器中的能量在下一個(gè)周期開始之前完全傳輸?shù)捷敵龆恕?/p>

圖2.正激 （a） 和反激 （b） 電源拓?fù)洹?/p>

控制電路

初級(jí)側(cè)控制電路基于MAX5003。該IC的簡(jiǎn)化框圖如圖3所示。MAX5003是下一代電源控制器的代表，集成了許多電信電源設(shè)計(jì)所必需的功能。它包含一個(gè)高壓啟動(dòng)電路，可加快初始上電過(guò)程。它還具有簡(jiǎn)化隔離式穩(wěn)壓電信電源設(shè)計(jì)的其他功能，例如電壓前饋補(bǔ)償。電壓前饋是設(shè)計(jì)的一個(gè)重要元素，因?yàn)樗兄谔峁┖愣ǖ墓β始?jí)增益，從而實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的電壓控制環(huán)路。它還通過(guò)即時(shí)響應(yīng)變化的輸入電壓并在單個(gè)周期內(nèi)校正占空比，而無(wú)需較慢電壓控制環(huán)路的干預(yù)，從而顯著有助于抑制輸入電源。

圖3.MAX5003原理框圖

以下公式應(yīng)有助于您了解前饋補(bǔ)償?shù)挠绊?。不帶前饋補(bǔ)償?shù)恼な睫D(zhuǎn)換器的大信號(hào)調(diào)制器和功率級(jí)增益分別用公式（1）和（2）給出。

其中 d 是占空比，vc是PWM比較器（引腳7）輸入端的控制電壓，k1是一個(gè)常數(shù)，并且 sr是內(nèi)部調(diào)制斜坡的斜率。

其中

k2是一個(gè)常數(shù)，v外是輸出電壓，v在是輸入電壓。

公式（1）和（2）的組合得到公式（3），這是正向型和降壓型穩(wěn)壓器的已知理想增益表達(dá)式。但是，在此表達(dá)式中，可以看出功率級(jí)增益v外/vc取決于輸入電壓。

(3)

功率級(jí)增益對(duì)輸入電壓的這種依賴性限制了輸入電壓變化較大的系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)的控制環(huán)路帶寬。此外，輸入電壓線路上的任何快速擾動(dòng)都會(huì)直接影響輸出電壓，從公式（3）可以看出。對(duì)這種擾動(dòng)的唯一修正以保持輸出電壓恒定必須來(lái)自改變v。c，這需要相對(duì)較慢的電壓誤差放大器的干預(yù)。

在前饋補(bǔ)償系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)斜坡的斜率與輸入電壓成反比，如公式（4）所示：

通過(guò)代入等式（4）中的等式（3），得到等式（5）的常數(shù)增益表達(dá)式：

(5)

從公式（5）可以清楚地看出，輸出電壓對(duì)輸入電壓的依賴性已經(jīng)完全消除，因?yàn)榧词箾](méi)有輸出電壓控制環(huán)路的干預(yù)，幾乎所有的輸入電壓瞬變都被電源電路抑制。

通過(guò)使用一個(gè)外部電阻器，開關(guān)頻率已設(shè)置為250kHz。這有助于最小化儲(chǔ)能組件的尺寸，而不會(huì)造成較大的開關(guān)功率損耗損失。

帶復(fù)位繞組的正激式轉(zhuǎn)換器（變壓器的端子3和4）需要將其最大占空比鉗位到特定水平，以避免由于磁芯復(fù)位不足而導(dǎo)致變壓器鐵芯飽和。一般來(lái)說(shuō)，在所有條件下都必須滿足以下條件，以防止變壓器鐵芯飽和：

(6)

其中 N12和 N34是主繞組和復(fù)位繞組的匝數(shù)。 公式（6）以簡(jiǎn)化形式編寫，設(shè)定了占空比必須滿足的條件：

(7)

MAX5003通過(guò)用單個(gè)電阻設(shè)置MAXTON引腳來(lái)提供最大占空比限制，從而有助于滿足上述條件，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

電信級(jí)電源還需要欠壓鎖定功能。這用于在輸入電壓“下降”低于預(yù)設(shè)電壓（在大多數(shù)系統(tǒng)中低于32V）時(shí)禁用電源。該電源的欠壓鎖定閾值由分壓器R1/R2設(shè)置。

啟動(dòng)電路

MAX5003控制器包含一個(gè)內(nèi)部高壓前置穩(wěn)壓器，直接連接到輸入電壓。電源從 V+ 引腳饋入耗盡結(jié) FET 前置穩(wěn)壓器。前置穩(wěn)壓器將輸入電壓降至足夠低的水平，以便為第一個(gè)低壓差穩(wěn)壓器供電（圖 3）。LDO的輸入在ES引腳處引出，在那里用一個(gè)小的陶瓷電容去耦。初級(jí)側(cè)偏置繞組（T1-5和T1-6）的輸出由D3整流，并施加于由R14、Q2和Z1組成的電壓電平調(diào)理電路。該電路將電壓限制在安全水平，以便可以施加到VDD。在這種情況下，偏置繞組以反激模式工作，而不是以正向模式工作的功率級(jí)。這消除了對(duì)濾波電感器的需求，從而降低了成本。在反激模式下，繞組的能量由導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)在變壓器磁化電感中的能量提供。

在初始啟動(dòng)期間，第一個(gè)穩(wěn)壓器為VDD線路產(chǎn)生電源，可通過(guò)相應(yīng)的引腳從外部獲得。VDD強(qiáng)制電壓高于10.75V會(huì)禁用第一個(gè)LDO，關(guān)閉高壓耗盡FET，從而降低IC的功耗，特別是在高輸入電壓下。繼VDD之后，LDO是另一個(gè)驅(qū)動(dòng)VCC的穩(wěn)壓器：它是內(nèi)部邏輯、模擬電路和外部功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)器的電源總線。之所以需要該穩(wěn)壓器，是因?yàn)閂DD電壓電平對(duì)于外部N溝道MOSFET柵極來(lái)說(shuō)過(guò)高。VCC 穩(wěn)壓器具有一條鎖定線，如果 VCC LDO 未進(jìn)行穩(wěn)壓，則該線會(huì)將 N 溝道 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器輸出短路至地。VCC 為除 VCC 鎖定邏輯、欠壓鎖定和電源穩(wěn)壓器之外的所有電路供電。

變壓器

任何隔離電源中的關(guān)鍵組件都是電源變壓器。對(duì)效率和可靠性有直接影響的電力變壓器的關(guān)鍵規(guī)格是初級(jí)和次級(jí)繞組直流和交流電阻，導(dǎo)致工作損耗。交流損耗部分來(lái)自皮膚效應(yīng)和接近效應(yīng)，并且根據(jù)變壓器（是否氣隙）來(lái)自循環(huán)渦流。鄰近效應(yīng)是磁場(chǎng)扭曲附近繞組導(dǎo)體中的電流的結(jié)果。繞組配置在這些損耗中起著重要作用。

圖4.變壓器次級(jí)的波形。

另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是漏感。漏感是一個(gè)關(guān)鍵的寄生元件，必須盡可能低，以最大限度地提高向次級(jí)的功率傳輸。低漏感還降低了初級(jí)損耗。在該設(shè)計(jì)中，部分漏能量在Q1上耗散。圖5清楚地顯示了Q1漏極處的尖峰，在關(guān)斷后短暫出現(xiàn)。一個(gè)不太關(guān)鍵的參數(shù)是磁化電感。這是從主端子 1 和 2 看到的電感，所有其他端子都開路。表2給出了變壓器的規(guī)格。

圖5.Q1、漏源電壓波形;前沿尖峰是漏感能量的結(jié)果;允許在第一季度消散。

以下公式可用于粗略計(jì)算存儲(chǔ)在漏感中并因此耗散在MOSFET中的能量：

(8)

我在哪里p是 MOSFET 關(guān)斷和 L 時(shí)的峰值初級(jí)電流泄漏是初級(jí)側(cè)漏感。

表 2.變壓器規(guī)格

圖1中的電路顯示了變壓器的電氣圖。重要的是繞組相關(guān)系，用繞組端子旁邊的點(diǎn)表示。

輸出電路

輸出采用低正向壓降、雙肖特基二極管，以實(shí)現(xiàn)高效率。該二極管的額定電流為 20 A，反向擊穿電壓為 40V，足以滿足此應(yīng)用的需求。二極管整流的總平均電流為10A，功耗約為5.5W。二極管需要一個(gè)散熱器，能夠在最壞的環(huán)境溫度條件下將結(jié)溫保持在可接受的水平。圖4顯示了變壓器次級(jí)的輸出電壓。請(qǐng)注意此波形上的負(fù)向尖峰。該尖峰中的能量很小，二極管能夠安全地吸收該能量;此外，R/C 網(wǎng)絡(luò) R13/C12 有助于減少次級(jí)側(cè)的振鈴。

電感L1能夠傳導(dǎo)10A電流而不會(huì)產(chǎn)生明顯損耗。它是一款 4.7μH 大電流表面貼裝型。雖然它的額定電流較高，但低串聯(lián)電阻有助于保持較低的損耗。紋波電流峰峰值約為2.2A。因此，電感電流變得不連續(xù)，輸出電流約為1.1A。

輸出電容器可以是鉭或鋁電解類型。選擇這些電容器時(shí)，有三個(gè)主要考慮因素：允許的交流紋波電流處理、輸出電壓紋波和（稍后將看到）控制環(huán)路穩(wěn)定性。使用低成本電解時(shí)，可以使用額外的低值陶瓷電容器來(lái)進(jìn)一步降低輸出端子上的開關(guān)噪聲尖峰。在該電路中，通過(guò)電容器的預(yù)期交流均方根電流約為0.8A RMS;因此，這些電容器的尺寸應(yīng)能夠安全地處理這種水平的紋波電流。

反饋電路

電壓反饋電路的兩個(gè)主要元件是TL431并聯(lián)穩(wěn)壓器和光耦合器MOC207。圖 6 顯示了 TL431 的內(nèi)部框圖。幾家制造商生產(chǎn)此零件，它具有各種精度等級(jí)。并聯(lián)穩(wěn)壓器的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓典型值為2.5V。使用外部分壓器，它由R11/R12組成，用于5V穩(wěn)壓輸出電壓。這種反饋電路配置在開關(guān)電源中非常常見，應(yīng)用廣泛。但是，它的操作有時(shí)會(huì)被誤解，從而導(dǎo)致潛在的陷阱。該電路具有兩條來(lái)自輸出的反饋路徑。一條路徑通過(guò)并聯(lián)穩(wěn)壓器，為良好的輸出電壓調(diào)節(jié)提供低頻增益，而第二條路徑通過(guò)光耦合器本身到達(dá)并聯(lián)穩(wěn)壓器的陰極端子。為了可視化后一個(gè)回路，只需用虛擬恒壓源替換并聯(lián)穩(wěn)壓器即可。

圖6.并聯(lián)穩(wěn)壓器的簡(jiǎn)化框圖。

在這種布置中，輸出電壓的任何增加都將導(dǎo)致更高的電流流過(guò)光耦合器的LED，迫使耦合光電晶體管的集電極電壓下降，從而降低占空比。這導(dǎo)致負(fù)反饋環(huán)路傾向于保持輸出電壓恒定。因此，在嘗試穩(wěn)定此循環(huán)時(shí)必須小心。最簡(jiǎn)單的方法和本設(shè)計(jì)中采用的方法就是依靠輸出電容的ESR來(lái)適當(dāng)補(bǔ)償后一條反饋路徑。但是，這會(huì)對(duì) ESR 的最小值施加約束。以下公式為 ESR 提供了一個(gè)很好的經(jīng)驗(yàn)法則：

(9)

ESR 的公差為 ±30% 肯定是足夠的。需要指出的是，在設(shè)計(jì)良好的系統(tǒng)中，通過(guò)滿足公式（8），控制環(huán)路單位增益交越點(diǎn)處的相位裕量接近90度，以獲得出色的瞬態(tài)響應(yīng)。

例：

(10)

因此，為了在輸出端獲得所需的紋波，可能需要并聯(lián)一個(gè)或多個(gè)電容器。對(duì)于輸出端的50mV峰峰值電壓紋波，可以使用四個(gè)ESR為330mΩ的90μF電容。

在大多數(shù)情況下，并聯(lián)穩(wěn)壓器周圍的補(bǔ)償電容不是很關(guān)鍵，其值可以在0.1μF左右。該電容不應(yīng)使用低得多的值，因?yàn)樗鼈儠?huì)降低控制環(huán)路的整體相位裕量。

反饋電路通過(guò)在原邊完成，將U2中光電晶體管的集電極連接到MAX5003的CON輸入。雖然控制IC包含一個(gè)誤差放大器，但在這種情況下不使用該放大器。但是，該放大器對(duì)于非隔離應(yīng)用以及通過(guò)連接到初級(jí)側(cè)的偏置輔助繞組進(jìn)行調(diào)節(jié)的情況非常有用。

輸入電路

輸入電路由三個(gè)陶瓷旁路電容c4/c5/c6組成。將電源嵌入實(shí)際系統(tǒng)時(shí)，建議使用大容量存儲(chǔ)電容器。這些電容器的尺寸必須能夠安全地處理轉(zhuǎn)換器輸入端的紋波電流。

應(yīng)該注意的是，通過(guò)輸入電容的最差情況下紋波電流約為50%占空比。對(duì)于圖1所示電路，AC電容紋波電流為1.5A RMS。這些電容器應(yīng)放置在非?？拷斎氲奈恢?，以避免長(zhǎng)走線承載可能導(dǎo)致EMI問(wèn)題的高頻開關(guān)電流。可能需要額外的輸入濾波以滿足適用的法規(guī)。

主要電源波形

電路關(guān)鍵點(diǎn)的波形有助于進(jìn)一步解釋操作。圖5顯示了開關(guān)FET的漏極源極波形。初始尖峰是變壓器漏感的結(jié)果。在較低輸出功率水平下，這一數(shù)字要低得多。在這種情況下，F(xiàn)ET吸收泄漏能量。

圖7顯示了次級(jí)整流器輸出端的電壓脈沖。這是一個(gè)相對(duì)干凈的波形，具有輕微的前沿和后沿尖峰。

圖7.輸出二極管后的波形。

圖8顯示了輸出電壓的良好上升。MAX5003的軟啟動(dòng)功能逐漸增加占空比，從而消除了啟動(dòng)過(guò)程中任何潛在的過(guò)沖。

圖8.上電時(shí)的輸出電壓導(dǎo)通瞬態(tài)。輸入電壓 = 48V，輸出電壓 = 5A。

電源性能

電源的主要性能特征包括效率和輸出電壓調(diào)節(jié)曲線。圖9顯示了效率與輸出功率的關(guān)系。在大約85W的輸出功率下，效率達(dá)到25%，并且在高達(dá)50W時(shí)保持相對(duì)平坦。盡管效率非常高，但功率FET和輸出二極管也需要散熱。二極管在6A輸出電流下將耗散約10W，預(yù)計(jì)FET將耗散約3W至4W。電源上的輕微氣流將冷卻電源變壓器和輸出電感器。

圖9.效率曲線。

圖10顯示了電源在0A至10A輸出電流范圍內(nèi)的輸出電壓調(diào)節(jié)。電壓測(cè)量在輸出電壓檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行。

圖 10.輸出電壓調(diào)節(jié)。

表 3.電源性能數(shù)據(jù)

*初始設(shè)定點(diǎn)精度可通過(guò)外部元件調(diào)整或使用容差更好的輸出電壓檢測(cè)電阻分壓器來(lái)提高。

PCB 布局和元件放置

與任何其他開關(guān)電源一樣，元件放置非常重要。由于初級(jí)與次級(jí)隔離，初級(jí)接地和次級(jí)接地是分開的。圖13顯示了PCB兩側(cè)的間距。電路板的布局可以改變以適應(yīng)不同的封裝。此外，功率FET和輸出整流器應(yīng)安裝在散熱器上，以實(shí)現(xiàn)最佳的熱管理。在此實(shí)現(xiàn)中，這兩個(gè)組件都安裝在電路板的非組件側(cè)，其卡舌暴露在外，以便可以輕松地安裝在散熱器上。

圖 11.FWD0510電源的頂部銅軌。

圖 12.FWD0510電源的組件放置;請(qǐng)注意，Q1 和 D4 位于底部，其金屬片暴露在散熱器板上。

圖 13.FWD0510電源的底部銅軌。

關(guān)鍵布局點(diǎn)如下：

次級(jí)變壓器引線與二極管D4的距離應(yīng)保持在最小。這將改善EMI以及有效的可用功率傳輸。

旁路電容 C4/C5/C6 應(yīng)盡可能靠近 T1 的引線 1。T2 的導(dǎo)聯(lián) 2 應(yīng)盡可能短。

檢流電阻R6應(yīng)盡可能靠近Q1的源極，并應(yīng)以非常短的走線返回接地層或旁路電容C4/C5/C6的負(fù)引線。

Q1的柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路也必須通過(guò)接地層布線，或者非常 短。

所有其他元件必須放置在靠近控制IC的位置。

必須遵守相關(guān)的走線間距（與走線爬電距離有關(guān)）。

結(jié)論

在這里，我們描述了一個(gè)50W電信電源的設(shè)計(jì)，它使用專門為此開發(fā)的新型控制IC。該設(shè)計(jì)為現(xiàn)成磚提供了一種低成本的替代品，同時(shí)提供了可觀的電氣性能。該電路可以構(gòu)建在相對(duì)較小的區(qū)域內(nèi)，并經(jīng)過(guò)優(yōu)化以適應(yīng)定制尺寸。

審核編輯：郭婷