应用笔记 3539

50瓦特内部总线结构(IBA)电源

By: Suresh Hariharan

摘要 : 本文讨论一个12V/50W的总线转换器,它从48V总线转换得到一个稳定、高效、隔离的12V输出。用到的拓扑结构是带同步整流的单开关正激转换器。在此设计中MAX5003为PWM控制器,经优化用于48V、±5%的窄输入电压范围。

介绍

内部总线结构(IBA)包含两个功率转换级。第一级用总线转换器来获得中间总线电压。第二级用负载点(POL)转换器来将中间总线电压转换到一个或多个低的、稳定的电压,以便给邻近负载供电。在此文中,我们描述了一个12V/50W,稳定而高效的,将12V与48V总线隔离的总线转换器。

电源规范

  • 输入电压:48VDC、±5%调整率
  • 输出:12V,4.2A
  • 最低负载:0安培
  • 纹波:±1%峰峰值
  • 隔离:1500VAC
  • 低成本
  • 效率:> 90%
  • 输出应有短路及过载保护

电压转换拓扑

该设计中有多种电源转换拓扑可供选择。所选定的拓扑必须成本低且效率高。基于低成本的要求,我们只好选择直接驱动式、单开关拓扑。要实现高效的目标就需要在次级中同步整流。最适合的选择是:
  • 在次级(图1)上带同步整流的单开关反激转换器
  • 带初级复位线圈和次级上(图2)同步整流的单开关正激转换器
图1. 带同步整流的反激转换器
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图1. 带同步整流的反激转换器

图2. 带复位线圈和同步整流的正激转换器
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图2. 带复位线圈和同步整流的正激转换器

单开关反激拓扑与正激拓扑相比,有一个优势是不用输出电感。我们还必须增加额外的驱动变压器T2,和一些附加电路,用来将PWM控制器U1的初级驱动信号传递到次级。之后该信号用来在开通初级MOSFET Q1前关断次级中的同步MOSFET Q2。另外,增加Q3、Q5、C6、R3、D3及R4电路以延迟MOSFET Q1的开启,从而保证在Q1开启前次级MOSFET Q2是关断的。若没有这个电路,MOSFET Q2关闭前,变压器次级上会出现短路,导致MOSFET Q1开启时出现电流尖峰。

在单开关正激转换器拓扑中,我们需要另加一个电感,但输出电容要比反激拓扑设计中的小些。只要确保变压器T1完全复位,在开启主开关之前变压器上的电压为零,我们还可以省掉额外的驱动变压器(上面提到的T2)。

由于IBA电源具有窄输入电压范围,我们可以使工作占空比最大。MAX5003 PWM控制器将被用到下面描述的设计中。图3是实际电源的示意图。

图3. 实际电源示意图
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图3. 实际电源示意图

电源元件列表
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 1Ω 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 0.025Ω, 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


图4. 12V/4.2A (输入为48VDC)时的纹波及噪声
图4. 12V/4.2A (输入为48VDC)时的纹波及噪声
注意:纹波及噪声测量的带宽为20MHz。在满载及48V输入时的纹波峰-峰值为110MV。

图5. 50W输出及48VDC输入时Q7中的VDS及ID
图5. 50W输出及48VDC输入时Q7中的VDS及ID
注意:48V输入时Q7上的峰值电压为152V。这是因为复位线圈没有箝位,而是采用LC谐振对变压器进行复位,谐振电路由变压器励磁电感和Q7两端的总等效电容组成。总电容包括变压器初级电容、MOSFET Q7电容及来自Q5 (D-S)的等效电容。还要注意的是变压器电压正好在Q7开启之前达到零。缩短了二极管D5的导通时间,优化了效率。

图6. 满载及48VDC输入时Q7中的电流和Q5上的VGS。
图6. 满载及48VDC输入时Q7中的电流和Q5上的VGS。
注意:在开启Q7前,同步续流MOSFET Q5已被关断,因此可防止Q7中出现电流尖峰。电路尖峰将降低效率。

图7. 满载及48VDC时Q7中的电流和Q5上的VDS。
图7. 满载及48VDC时Q7中的电流和Q5上的VDS。

图8. 满载及48VDC输入时Q7中的电流和Q5上的VGS。
图8. 满载及48VDC输入时Q7中的电流和Q5上的VGS。

注意:该电源在50W、输入为48V时的测量效率为93%。电源符合设计中指定的所有要求。短路情况下,电源将进入打嗝式限流模式,在短路去除后恢复成满载状态。