基于LM5025的有源箝位模塊電源設(shè)計(jì)

1  引言

　　當(dāng)今，由于模塊電源具有體積小、效率高、可靠性高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛使用于航空航天、機(jī)車艦船、軍工兵器、郵電通信、和科研實(shí)驗(yàn)等社會(huì)生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域，尤其是在高可靠和高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的重要作用。中小功率的模塊電源一般使用單端正激電路，然而由于其磁特性工作在第一象限，并且是硬開(kāi)關(guān)工作模式，決定了該電路存在一些固有的缺陷：變壓器體積大，損耗大；開(kāi)關(guān)器件電壓應(yīng)力高，開(kāi)關(guān)損耗大；dv/dt和di/dt大，EMI問(wèn)題難以處理。 為了克服這些缺陷，文獻(xiàn)[1]提出了有源鉗箝位正激變換器拓?fù)洌瑥母旧细淖兞藛味苏ぷ儞Q器的運(yùn)行特性，并且能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓軟開(kāi)關(guān)工作模式，從而大量地減少了開(kāi)關(guān)器件和變壓器的功耗，降低了dv/dt和di/dt，改善了電磁兼容性。因此，有源鉗位正激變換器拓?fù)溲杆佾@得了廣泛的應(yīng)用。

　　2  主電路工作原理

　　有源箝位電路通常由有源器件(或稱箝位開(kāi)關(guān))和箝位電容串聯(lián)而成，并聯(lián)在主管或變壓器原邊繞組兩端。在主功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間，由箝位電容將主開(kāi)關(guān)管兩端電壓嵌位在一定數(shù)值水平上，基本保持不變，使主開(kāi)關(guān)管避免承受過(guò)高的電壓。

　　在正激變流器中采用有源箝位技術(shù)，即有源嵌位正激電路，還可以實(shí)現(xiàn)變壓器磁芯磁通的自動(dòng)復(fù)位，無(wú)需另加復(fù)位措施；并可使激磁電流沿正反方向流通，使磁芯可以在磁化曲線的第一和第三象限運(yùn)行，提高了磁芯的利用率。同時(shí)，該復(fù)位技術(shù)和其他復(fù)位方式相比，電路還具有如下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):

　?。?）由于它的復(fù)位電壓可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，所以占空比可以大于50%，非常適合Brike DC/DC的寬范圍要求；

　?。?）正激有源箝位電路變壓器上是完整的方波，能很自然的給副邊兩個(gè)同步整流管提供簡(jiǎn)單有效的自驅(qū)動(dòng)的方案。

　　本文采用的電路拓?fù)淙鐖D1所示，增加了輔助開(kāi)關(guān)Sa（帶反并二極管）和儲(chǔ)能電容Cs，以及諧振電容Cds1、Cds2，且略去了傳統(tǒng)正激變換器的磁恢復(fù)電路。開(kāi)關(guān)S和Sa工作在互補(bǔ)狀態(tài)。為了防止開(kāi)關(guān)S和Sa共態(tài)導(dǎo)通，兩開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)間留有一定的死區(qū)時(shí)間。由于變壓器上為完整的方波，副邊兩個(gè)同步整流管采用變壓器自驅(qū)動(dòng)方案。

　　3  控制芯片選擇

　　LM5025是一款有源鉗位專用的PWM變換器，其內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器可驅(qū)動(dòng)P溝道或N溝道鉗位開(kāi)關(guān)。LM5025有兩路控制輸出：主功率驅(qū)動(dòng)(OUT_A)輸出和有源鉗位驅(qū)動(dòng)(OUT_B)輸出。有源鉗位輸出可以設(shè)定重疊時(shí)間（P溝道開(kāi)關(guān)管）或死區(qū)時(shí)間（N溝道開(kāi)關(guān)管）。兩路驅(qū)動(dòng)輸出具有良好的驅(qū)動(dòng)性能，即可驅(qū)動(dòng)MOS管，也可驅(qū)動(dòng)雙極晶體管。除此以外，還有以下優(yōu)點(diǎn)：

　?。?）高壓?jiǎn)?dòng)穩(wěn)壓器

　　LM5025內(nèi)部有一個(gè)高電壓?jiǎn)?dòng)穩(wěn)壓器，允許VIN直接連接輸入電壓。穩(wěn)壓器最大輸出電流為20mA。VCC端電壓達(dá)到7.6V，內(nèi)部5V基準(zhǔn)電壓建立，控制器開(kāi)始工作。當(dāng)VCC低于6.2V或在輸入欠壓鎖定狀態(tài)時(shí)，控制器關(guān)斷。在典型應(yīng)用中，輔助繞組通過(guò)二極管連接到VCC端，該繞組必須使VCC電壓高于8V，以關(guān)斷內(nèi)部啟動(dòng)穩(wěn)壓器。用輔助繞組給VCC供電，不僅提高了效率，而且降低了控制器的損耗。

 [!--empirenews.page--]（2）輸入欠壓保護(hù)

　　LM5025內(nèi)置輸入欠壓鎖定電路。在VIN和GND之間外接分壓電阻，可設(shè)定變換器的工作范圍。分壓電阻必須確保當(dāng)VIN在工作范圍內(nèi)時(shí)，UVLO的電壓值大于2.5V。如果VIN低于欠壓門(mén)限，控制器的所有功能將關(guān)斷，并進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài)。UVLO的滯環(huán)通過(guò)內(nèi)部20μA電流源實(shí)現(xiàn)。UVLO端也可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)外部關(guān)斷，將UVLO端的電壓拉至小于2.5V的門(mén)限時(shí)，變換器關(guān)斷。

　?。?）過(guò)流保護(hù)

　　LM5025有兩種過(guò)流保護(hù)：一種是CS1的采樣電壓大于0.25V時(shí)，逐脈沖限流模式；另一種是CS2的采樣電壓大于0.25V時(shí)，控制器進(jìn)行打嗝式限流保護(hù)。此時(shí)控制器關(guān)斷輸出，先對(duì)軟啟動(dòng)電容放電并將軟啟動(dòng)電流源降到1μA，軟啟動(dòng)電容完全放電后，再由1μA的電流源緩慢充電。當(dāng)SS端電壓接近1V時(shí)，PWM比較器在OUT_A產(chǎn)生第一個(gè)脈沖，軟啟動(dòng)電流源恢復(fù)到20μA。

　?。?）熱保護(hù)

　　LM5025內(nèi)置熱關(guān)斷電路，保護(hù)芯片不超過(guò)最大結(jié)溫。熱保護(hù)典型值是165℃，控制器進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，輸出驅(qū)動(dòng)和輸入偏置穩(wěn)壓器都不工作。熱滯后25℃之后，變換器重新軟啟動(dòng)。

　　以LM2025為核心的有緣鉗位變換器，具有完善的保護(hù)功能、穩(wěn)定的性能和較低的成本，在電源的設(shè)計(jì)中得到廣泛的使用。

　　4  實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　實(shí)驗(yàn)?zāi)K的主功率拓?fù)洳捎?strong>有源箝位正激變換器電路，該拓?fù)涞淖儔浩鲝?fù)位方式可進(jìn)一步提高變換器效率，控制電路芯片選用LM5025。變換器輸入電壓為18V～36V，輸出電壓為5V，輸出電流為10A。標(biāo)準(zhǔn)24V輸入，輸出滿載時(shí)效率達(dá)到92%。圖2為主開(kāi)關(guān)管和箝位管驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形。由圖中可以看出，主路開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和有源鉗位管開(kāi)通之間加入一個(gè)死區(qū)，以避免兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通。圖3為主開(kāi)關(guān)管的VDS波形。由圖中可以看出，主開(kāi)關(guān)管兩端的電壓被鉗位在40V左右，降低了開(kāi)關(guān)管的損耗，提高了效率。圖4為輸出端整流管和續(xù)流管的驅(qū)動(dòng)波形。由于變壓器上為完整的方波，而副邊同步整流管采用的變壓器自驅(qū)動(dòng)，故其驅(qū)動(dòng)波形也近似為方波，幅值與變壓器的變比和輸出電壓有關(guān)。

　　5  結(jié)論

　　有源鉗位電路除具有效率高、磁芯自恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，還因?yàn)樽儔浩魃系牟ㄐ螢橥暾姆讲?，同步整流可以采用變壓器自?qū)動(dòng)，因而廣泛使用于中小功率的DC/DC變換器電源設(shè)計(jì)。本文在對(duì)有源鉗位正激電路分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款 18V~36V輸入，輸出5V/10A的軍用模塊電源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了有源鉗位正激電路的優(yōu)越性。