采用雙管正激拓撲構(gòu)建高性能模塊電源設計

引言

　　高功率密度、高效率以及小外型尺寸已成為當前模塊電源技術發(fā)展的關鍵驅(qū)動力。雙管正激電路是實現(xiàn)這些要求的實用電路之一，被廣泛應用在中、高功率電源設計中。本文簡要介紹了雙管正激電路的工作原理及優(yōu)點，同時詳細介紹了應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、變壓器磁復位階段和死區(qū)階段。在能量轉(zhuǎn)移階段，原邊的兩個開關都導通，能量從輸入端向輸出端轉(zhuǎn)移。在變壓器磁復位階段，原邊的兩個二極管都導通，使變壓器繞組承受反相輸入電壓，從而實現(xiàn)變壓器磁復位。當變壓器完全復位后，變換器工作在死區(qū)階段，即原邊無電流、副邊續(xù)流。在復位過程中，雙管正激開關MOSFET被箝位在輸入電壓。MOSFET上的電壓應力小于單管正激，至少低一倍。這樣我們可選取具有低導通電阻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

　　雙管正激電路運行非常穩(wěn)定，受到設計人員的廣泛關注，并給予了較高評價。由于原邊的兩個開關不是使用圖騰柱結(jié)構(gòu)，它們同時導通，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同時導通，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重要，而雙管正激電路可以避免這個問題。

　　基于MAX5051的參考設計

　　MAX5051是一款鉗位式、雙開關電源控制器IC。這款控制芯片可應用于正激或反激結(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機制，實現(xiàn)高度可靠的電源。當與副邊同步整流器配合工作時，電源效率很容易達到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，必要時可用來設計冗余電源系統(tǒng)。當主側(cè)并聯(lián)工作時，通過專用引腳可同時喚醒或關斷所有并聯(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載電流的關系曲線

（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
　　可預測的環(huán)路動態(tài)簡化了控制環(huán)路的設計。
　　從動態(tài)響應的圖形對比中可以看到，無論是輸出過沖，還是恢復時間，MAX5051模塊都具有明顯的優(yōu)勢。