摘要:本文討論一個12V/50W的總線轉換器,它從48V總線轉換得到一個穩(wěn)定、高效、隔離的12V輸出。用到的拓撲結構是帶同步整流的單開關正激轉換器。在此設計中MAX5003為PWM控制器,經(jīng)優(yōu)化用于48V、±5%的窄輸入電壓范圍。

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圖1. 帶同步整流的反激轉換器

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圖2. 帶復位線圈和同步整流的正激轉換器
單開關反激拓撲與正激拓撲相比,有一個優(yōu)勢是不用輸出電感。我們還必須增加額外的驅動變壓器T2,和一些附加電路,用來將PWM控制器U1的初級驅動信號傳遞到次級。之后該信號用來在開通初級MOSFET Q1前關斷次級中的同步MOSFET Q2。另外,增加Q3、Q5、C6、R3、D3及R4電路以延遲MOSFET Q1的開啟,從而保證在Q1開啟前次級MOSFET Q2是關斷的。若沒有這個電路,MOSFET Q2關閉前,變壓器次級上會出現(xiàn)短路,導致MOSFET Q1開啟時出現(xiàn)電流尖峰。
在單開關正激轉換器拓撲中,我們需要另加一個電感,但輸出電容要比反激拓撲設計中的小些。只要確保變壓器T1完全復位,在開啟主開關之前變壓器上的電壓為零,我們還可以省掉額外的驅動變壓器(上面提到的T2)。
由于IBA電源具有窄輸入電壓范圍,我們可以使工作占空比最大。MAX5003 PWM控制器將被用到下面描述的設計中。圖3是實際電源的示意圖。

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圖3. 實際電源示意圖
電源元件列表

圖4. 12V/4.2A (輸入為48VDC)時的紋波及噪聲
注意:紋波及噪聲測量的帶寬為20MHz。在滿載及48V輸入時的紋波峰-峰值為110MV。

圖5. 50W輸出及48VDC輸入時Q7中的VDS及ID
注意:48V輸入時Q7上的峰值電壓為152V。這是因為復位線圈沒有箝位,而是采用LC諧振對變壓器進行復位,諧振電路由變壓器勵磁電感和Q7兩端的總等效電容組成。總電容包括變壓器初級電容、MOSFET Q7電容及來自Q5 (D-S)的等效電容。還要注意的是變壓器電壓正好在Q7開啟之前達到零。縮短了二極管D5的導通時間,優(yōu)化了效率。

圖6. 滿載及48VDC輸入時Q7中的電流和Q5上的VGS。
注意:在開啟Q7前,同步續(xù)流MOSFET Q5已被關斷,因此可防止Q7中出現(xiàn)電流尖峰。電路尖峰將降低效率。

圖7. 滿載及48VDC時Q7中的電流和Q5上的VDS。

圖8. 滿載及48VDC輸入時Q7中的電流和Q5上的VGS。
注意:該電源在50W、輸入為48V時的測量效率為93%。電源符合設計中指定的所有要求。短路情況下,電源將進入打嗝式限流模式,在短路去除后恢復成滿載狀態(tài)。
介紹
內部總線結構(IBA)包含兩個功率轉換級。第一級用總線轉換器來獲得中間總線電壓。第二級用負載點(POL)轉換器來將中間總線電壓轉換到一個或多個低的、穩(wěn)定的電壓,以便給鄰近負載供電。在此文中,我們描述了一個12V/50W,穩(wěn)定而高效的,將12V與48V總線隔離的總線轉換器。電源規(guī)范
電壓轉換拓撲
該設計中有多種電源轉換拓撲可供選擇。所選定的拓撲必須成本低且效率高。基于低成本的要求,我們只好選擇直接驅動式、單開關拓撲。要實現(xiàn)高效的目標就需要在次級中同步整流。最適合的選擇是:- 在次級(圖1)上帶同步整流的單開關反激轉換器
- 帶初級復位線圈和次級上(圖2)同步整流的單開關正激轉換器

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圖1. 帶同步整流的反激轉換器

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圖2. 帶復位線圈和同步整流的正激轉換器
單開關反激拓撲與正激拓撲相比,有一個優(yōu)勢是不用輸出電感。我們還必須增加額外的驅動變壓器T2,和一些附加電路,用來將PWM控制器U1的初級驅動信號傳遞到次級。之后該信號用來在開通初級MOSFET Q1前關斷次級中的同步MOSFET Q2。另外,增加Q3、Q5、C6、R3、D3及R4電路以延遲MOSFET Q1的開啟,從而保證在Q1開啟前次級MOSFET Q2是關斷的。若沒有這個電路,MOSFET Q2關閉前,變壓器次級上會出現(xiàn)短路,導致MOSFET Q1開啟時出現(xiàn)電流尖峰。
在單開關正激轉換器拓撲中,我們需要另加一個電感,但輸出電容要比反激拓撲設計中的小些。只要確保變壓器T1完全復位,在開啟主開關之前變壓器上的電壓為零,我們還可以省掉額外的驅動變壓器(上面提到的T2)。
由于IBA電源具有窄輸入電壓范圍,我們可以使工作占空比最大。MAX5003 PWM控制器將被用到下面描述的設計中。圖3是實際電源的示意圖。

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圖3. 實際電源示意圖
電源元件列表
Designator | Qty | Description |
C1 | 1 | Ceramic capacitor 470pF, X7R, 50V, 10% (0402) |
? | ? | TDK C1005X7R1H471K |
C10 | 1 | Ceramic capacitor 0.33μF, X5R, 6.3V, 10% (0402) |
? | ? | TDK C1005X5R0J334K |
C11 | 1 | Ceramic capacitor 1μF, X5R, 6.3V, 20% (0402) |
? | ? | TDK C1005X5R0J105M |
C12 | 1 | Ceramic capacitor 2200pF, X7R, 50V, 10% (0402) |
? | ? | TDK C1005X7R1H222K |
C13 | 1 | Ceramic capacitor 0.1μF, X5R, 25V, 20% (0603) |
? | ? | TDK C1608X7R1E104M |
C14, C17 | 2 | Ceramic capacitor 0.068μF, 16V, 10% (0402) |
? | ? | TDKC1005X5R1C683Kex |
C15 | 1 | Ceramic capacitor 4700pF, 250VAC, X7R (2220) |
? | ? | Murata GA355DR7GC472KY02 |
C2, C3, C4 | 3 | Polymer tantalum chip capacitor 47μF, 16V, 20% |
? | ? | Kemet T520D476M016ASE070 |
C5 | 1 | Ceramic capacitor 1μF, 100V, X7R, 10% (1210) |
? | ? | TDKC3225X7R2A105K |
C6 | 2 | Ceramic capacitor 1μF, 16V, X7R, 20%, (0805) |
? | ? | TDKC2012X7R1C105M |
C8 | 1 | SMT Electrolytic capacitor 22μF, 50V, 20% |
? | ? | Panasonic EEVFK1H220P |
D1 | 1 | Zener diode 6.2V, 200mW (SOD323) |
D2-D5, D7-D10, D12 | 9 | Switching diode 75V, 150ma (SOD323) |
? | ? | Diodes Inc 1N4148W |
D11 | 1 | Silicon Epitaxial Planar Rectifier 200V, 200ma (SMINI2P) |
? | ? | Panasonic MA115 |
D5 | 1 | Schottky diode 3A, 40A (SMA) |
? | ? | Diodes Inc B340A |
L1 | 1 | Inductor 3.3mh |
? | ? | Coilcraft DO1608C-335 |
L2 | 1 | Inductor 12μH |
? | ? | Coilcraft DO5022P-103ML |
Q3 | 1 | Transistor PNP 60V SOT23 MMBT2907 |
? | ? | Diodes Inc MMBT2907 |
Q4 | 1 | N channel MOSFET, 80V, 15mΩ, SO8 |
? | ? | International Rectifier IRF7493 |
Q5 | 1 | N channel MOSFET 30V, 13.8mΩ, SO8 |
? | ? | International Rectifier IRF7807Z |
Q7 | 1 | Nchannel MOSFET 200V, 79mΩ, SO8 |
? | ? | International Rectifier IRF7892 |
Q6 | 1 | N channel MOSFET, 30V, 1.2A, SOT23 |
? | ? | Fairchild Semiconductor NDS351AN |
R1 | 1 | Resistor 27k, 5% (1206) |
R10, R20 | 2 | Resistor 20.0k, 1% (0402) |
R11-R14 | 4 | Resistor 1R 5% (0603) |
R15 | 1 | Resistor 66.5k, 1% (0402) |
R16 | 1 | Resistor 1.24k, 1% (0402) |
R17 | 1 | 1.24k, 1% |
R18 | 1 | Resistor 562Ω, 1% (1206) |
R19 | 1 | Resistor 1k, 1% (1206) |
R21 | 1 | Resistor 100Ω, 1% (0402) |
R22 | 1 | Resistor 60.4k, 1% (0402) |
R23 | 1 | Resistor 0.025R, 1% (0805) |
R27 | 1 | Resistor 2.32k, 1% (0402) |
R3 | 1 | Resistor 261k, 1% (0402) |
R4 | 1 | Resistor 5.1k, 1% (0402) |
R5 | 1 | Resistor 490Ω, 1% (0402) |
R6 | 1 | Resistor 221k, 1% (0402) |
R7 | 1 | Resistor 22Ω, 1% (1206) |
R8 | 1 | Resistor 15k, 1% (0402) |
R9 | 1 | Resistor 453k, 1% (0805) |
T1 | 1 | Custom transformer (EFD20-12) |
? | ? | Delta 2004D-535A |
U1 | 1 | High Voltage PWM Power Supply Controller |
? | ? | MAXIM MAX5003ESE |
U2, U4 | 2 | Adjustable shunt regulator SOT23-5 |
? | ? | Texas instruments TLV431IDB |
U3 | 1 | SMD Optoisolator 1channel HiCTR |
? | ? | NEC PS2911-1 |

圖4. 12V/4.2A (輸入為48VDC)時的紋波及噪聲
注意:紋波及噪聲測量的帶寬為20MHz。在滿載及48V輸入時的紋波峰-峰值為110MV。

圖5. 50W輸出及48VDC輸入時Q7中的VDS及ID
注意:48V輸入時Q7上的峰值電壓為152V。這是因為復位線圈沒有箝位,而是采用LC諧振對變壓器進行復位,諧振電路由變壓器勵磁電感和Q7兩端的總等效電容組成。總電容包括變壓器初級電容、MOSFET Q7電容及來自Q5 (D-S)的等效電容。還要注意的是變壓器電壓正好在Q7開啟之前達到零。縮短了二極管D5的導通時間,優(yōu)化了效率。

圖6. 滿載及48VDC輸入時Q7中的電流和Q5上的VGS。
注意:在開啟Q7前,同步續(xù)流MOSFET Q5已被關斷,因此可防止Q7中出現(xiàn)電流尖峰。電路尖峰將降低效率。

圖7. 滿載及48VDC時Q7中的電流和Q5上的VDS。

圖8. 滿載及48VDC輸入時Q7中的電流和Q5上的VGS。
注意:該電源在50W、輸入為48V時的測量效率為93%。電源符合設計中指定的所有要求。短路情況下,電源將進入打嗝式限流模式,在短路去除后恢復成滿載狀態(tài)。
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