探索MAXREFDES115#：24V轉(zhuǎn)5V 20W隔離電源的卓越設(shè)計(jì)

在電子工程師的日常工作中，電源設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的一環(huán)。今天，我們就來深入探討一下Maxim推出的MAXREFDES115#隔離電源參考設(shè)計(jì)，它能將24V高效轉(zhuǎn)換為5V 20W的電源，為眾多工業(yè)應(yīng)用提供可靠的電力支持。

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設(shè)計(jì)亮點(diǎn)

高效拓?fù)渑c緊湊設(shè)計(jì)

MAXREFDES115#采用了高效的有源鉗位拓?fù)湓O(shè)計(jì)，以24V為輸入，輸出為5V 4A（20W）的功率。該設(shè)計(jì)使用了MAX17599有源鉗位、電流模式PWM控制器，整個(gè)電路可以集成在一塊20mm x 55mm的電路板上，非常緊湊。而且，它還具備功能絕緣、低功耗、外部組件少等優(yōu)點(diǎn)，能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。

簡化變壓器選擇

在隔離電源設(shè)計(jì)中，變壓器的選擇往往是最具挑戰(zhàn)性的一步。而MAXREFDES115#為我們解決了這個(gè)難題，它已經(jīng)對多種變壓器進(jìn)行了認(rèn)證，大大簡化了變壓器的選擇過程。同時(shí)，模塊底部的通孔引腳方便了該電源轉(zhuǎn)換器快速輕松地集成到任何系統(tǒng)中，引腳間距設(shè)計(jì)合理，電源到地的間距為15.24mm，輸入側(cè)到輸出側(cè)的間距為63.5mm。

技術(shù)原理

MAX17599控制器

MAX17599是一款低IQ、寬輸入范圍的有源鉗位電流模式PWM控制器，包含了設(shè)計(jì)寬輸入隔離正激轉(zhuǎn)換器工業(yè)電源所需的所有控制電路。它采用了有源鉗位變壓器復(fù)位拓?fù)?，這種拓?fù)渚哂袦p少開關(guān)電壓應(yīng)力、減小變壓器尺寸、提高效率等優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)計(jì)的開關(guān)頻率設(shè)定為250kHz，對于對EMI敏感的應(yīng)用，用戶還可以對頻率抖動方案進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)低EMI擴(kuò)頻操作。

輸入保護(hù)與控制

輸入欠壓鎖定（EN/UVLO）功能用于編程輸入電源的啟動電壓（設(shè)計(jì)中設(shè)定為16.5V），并確保在掉電情況下正常運(yùn)行。EN/UVLO輸入還可用于開啟/關(guān)閉IC。過壓輸入（OVI）保護(hù)方案則確保當(dāng)輸入電源超過允許的最大值（設(shè)計(jì)中設(shè)定為37.0V）時(shí)，控制器能夠關(guān)閉。

軟啟動與過流保護(hù)

為了控制浪涌電流，設(shè)備集成了軟啟動（SS）引腳，用于設(shè)置穩(wěn)壓器的軟啟動時(shí)間。打嗝式過流保護(hù)（打嗝模式）可以最小化故障條件下的功率損耗。SS功能還能在設(shè)備關(guān)閉時(shí)安全地對鉗位電容進(jìn)行放電，并允許控制器以可控的方式重啟。

負(fù)電流限制與過熱保護(hù)

電流檢測電路中提供了負(fù)電流限制，有助于在動態(tài)運(yùn)行條件下限制鉗位開關(guān)電流。過熱故障會觸發(fā)熱關(guān)斷，以可靠地保護(hù)設(shè)備。

電路詳細(xì)分析

初級功率級

有源鉗位變壓器的初級側(cè)由一個(gè)n溝道MOSFET（N1）和一個(gè)p溝道MOSFET（P1）驅(qū)動。當(dāng)N1導(dǎo)通時(shí)，功率傳遞到次級，變壓器存儲磁化能量。此時(shí)P1截止，鉗位電容（C12）以恒定電壓充電。當(dāng)N1關(guān)閉時(shí)，漏感和磁化電流對N1的漏源電容充電。當(dāng)N1的漏源電壓超過鉗位電容兩端的電壓時(shí)，P1的體二極管開始導(dǎo)通，磁化電流開始對鉗位電容充電。P1導(dǎo)通后，實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)。鉗位電容繼續(xù)充電，直到磁化電流降為0A，然后磁化電流反向，鉗位電容開始放電，直到P1關(guān)閉。P1關(guān)閉后，鉗位電容保持固定電壓。在N1導(dǎo)通前有一個(gè)固定延遲，在此期間，寄生組件中的能量將N1的VDS向VIN放電，從而實(shí)現(xiàn)更柔和的導(dǎo)通和更低的開關(guān)損耗。

次級功率級

次級功率級由同步整流器（N1、N2）和輸出濾波器（L2、C4、C5、C6）組成。當(dāng)初級n-FET（N3）導(dǎo)通時(shí)，輸入功率通過正向?qū)ǖ腗OSFET N2瞬間傳輸?shù)捷敵?。在關(guān)斷期間，輸出電感電流通過MOSFET N1續(xù)流。濾波器電感輸入端的電壓是典型的降壓轉(zhuǎn)換器方波，電感和輸出電容對該方波進(jìn)行濾波，在輸出端產(chǎn)生直流電壓。

反饋控制回路

反饋網(wǎng)絡(luò)由TLV431B可編程并聯(lián)穩(wěn)壓器、3000V隔離光耦合器和其他RC組件構(gòu)成。

測試與驗(yàn)證

效率測試

MAXREFDES115#在全輸入范圍和不同輸出負(fù)載條件下進(jìn)行了驗(yàn)證和測試。從功率效率與負(fù)載電流的關(guān)系圖（圖2）可以看出，在不同輸入電壓下，效率隨著負(fù)載電流的變化而變化。當(dāng)輸入為24V時(shí)，參考設(shè)計(jì)的峰值效率可達(dá)91.5%。

輸出紋波與瞬態(tài)響應(yīng)測試

圖3展示了輸入為24V時(shí)全負(fù)載下的輸出紋波。圖4顯示了負(fù)載從5mA躍變到1600mA，再降回5mA時(shí)的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，輸出瞬態(tài)尖峰約為240mV。圖5則展示了負(fù)載從2.4A躍變到4A，再降回2.4A時(shí)的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

快速啟動與訂購信息

快速啟動

要驗(yàn)證MAXREFDES115#電路板的操作，需要準(zhǔn)備MAXREFDES115#、一個(gè)輸出電壓可達(dá)36V、電流可達(dá)3A的可調(diào)直流電源、一個(gè)電子負(fù)載、兩個(gè)電壓表和兩個(gè)電流表。按照特定的連接步驟進(jìn)行操作，最后驗(yàn)證電壓表讀數(shù)是否在5V ±0.25V范圍內(nèi)。

訂購信息

MAXREFDES115#有不同的型號，如MAXREFDES115A#、MAXREFDES115B#、MAXREFDES115C#，它們分別采用了不同供應(yīng)商的變壓器，且均處于活躍狀態(tài)可供購買。這里需要注意的是，部分零件沒有標(biāo)準(zhǔn)定價(jià)，需要進(jìn)行報(bào)價(jià)。

MAXREFDES115#為電子工程師提供了一個(gè)高效、緊湊且可靠的隔離電源解決方案，適用于PLC、工業(yè)過程控制和傳感器、電信和數(shù)據(jù)通信電源等多種應(yīng)用場景。你在實(shí)際設(shè)計(jì)中是否遇到過類似的電源設(shè)計(jì)難題呢？你會考慮使用MAXREFDES115#來解決這些問題嗎？歡迎在評論區(qū)分享你的想法和經(jīng)驗(yàn)。