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基于LM5025的有源箝位模塊電源設計
摘要: 1引言當今,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,已廣泛使用于航空航天、機車艦船、軍工兵器、郵電通信、和科研實驗等社會生產(chǎn)和生活的各個領域,尤其是在高可靠和高技術領域發(fā)揮著不可
Abstract:
Key words :

1  引言

  當今,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,已廣泛使用于航空航天、機車艦船、軍工兵器、郵電通信、和科研實驗等社會生產(chǎn)和生活的各個領域,尤其是在高可靠和高技術領域發(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,并且是硬開關工作模式,決定了該電路存在一些固有的缺陷:變壓器體積大,損耗大;開關器件電壓應力高,開關損耗大;dv/dt和di/dt大,EMI問題難以處理。 為了克服這些缺陷,文獻[1]提出了有源鉗箝位正激變換器拓撲,從根本上改變了單端正激變換器的運行特性,并且能夠實現(xiàn)零電壓軟開關工作模式,從而大量地減少了開關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撲迅速獲得了廣泛的應用。

  2  主電路工作原理

  有源箝位電路通常由有源器件(或稱箝位開關)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。在主功率開關管關斷期間,由箝位電容將主開關管兩端電壓嵌位在一定數(shù)值水平上,基本保持不變,使主開關管避免承受過高的電壓。

  在正激變流器中采用有源箝位技術,即有源嵌位正激電路,還可以實現(xiàn)變壓器磁芯磁通的自動復位,無需另加復位措施;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行,提高了磁芯的利用率。同時,該復位技術和其他復位方式相比,電路還具有如下兩個優(yōu)點:

  (1)由于它的復位電壓可以自動調節(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同步整流管提供簡單有效的自驅動的方案。

  本文采用的電路拓撲如圖1所示,增加了輔助開關Sa(帶反并二極管)和儲能電容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電路。開關S和Sa工作在互補狀態(tài)。為了防止開關S和Sa共態(tài)導通,兩開關的驅動信號間留有一定的死區(qū)時間。由于變壓器上為完整的方波,副邊兩個同步整流管采用變壓器自驅動方案。

 

 

 

  3  控制芯片選擇

  LM5025是一款有源鉗位專用的PWM變換器,其內部驅動器可驅動P溝道或N溝道鉗位開關。LM5025有兩路控制輸出:主功率驅動(OUT_A)輸出和有源鉗位驅動(OUT_B)輸出。有源鉗位輸出可以設定重疊時間(P溝道開關管)或死區(qū)時間(N溝道開關管)。兩路驅動輸出具有良好的驅動性能,即可驅動MOS管,也可驅動雙極晶體管。除此以外,還有以下優(yōu)點:

 ?。?)高壓啟動穩(wěn)壓器

  LM5025內部有一個高電壓啟動穩(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端電壓達到7.6V,內部5V基準電壓建立,控制器開始工作。當VCC低于6.2V或在輸入欠壓鎖定狀態(tài)時,控制器關斷。在典型應用中,輔助繞組通過二極管連接到VCC端,該繞組必須使VCC電壓高于8V,以關斷內部啟動穩(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。

 

 

 (2)輸入欠壓保護

  LM5025內置輸入欠壓鎖定電路。在VIN和GND之間外接分壓電阻,可設定變換器的工作范圍。分壓電阻必須確保當VIN在工作范圍內時,UVLO的電壓值大于2.5V。如果VIN低于欠壓門限,控制器的所有功能將關斷,并進入低功耗待機狀態(tài)。UVLO的滯環(huán)通過內部20μA電流源實現(xiàn)。UVLO端也可以用來實現(xiàn)外部關斷,將UVLO端的電壓拉至小于2.5V的門限時,變換器關斷。

 

 

 

 ?。?)過流保護

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

 

 

 

 ?。?)熱保護

  LM5025內置熱關斷電路,保護芯片不超過最大結溫。熱保護典型值是165℃,控制器進入待機狀態(tài),輸出驅動和輸入偏置穩(wěn)壓器都不工作。熱滯后25℃之后,變換器重新軟啟動。

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

  4  實驗結果分析

  實驗模塊的主功率拓撲采用有源箝位正激變換器電路,該拓撲的變壓器復位方式可進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。標準24V輸入,輸出滿載時效率達到92%。圖2為主開關管和箝位管驅動信號波形。由圖中可以看出,主路開關管開通和有源鉗位管開通之間加入一個死區(qū),以避免兩個開關管同時導通。圖3為主開關管的VDS波形。由圖中可以看出,主開關管兩端的電壓被鉗位在40V左右,降低了開關管的損耗,提高了效率。圖4為輸出端整流管和續(xù)流管的驅動波形。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動,故其驅動波形也近似為方波,幅值與變壓器的變比和輸出電壓有關。

  5  結論

  有源鉗位電路除具有效率高、磁芯自恢復等優(yōu)點,還因為變壓器上的波形為完整的方波,同步整流可以采用變壓器自驅動,因而廣泛使用于中小功率的DC/DC變換器電源設計。本文在對有源鉗位正激電路分析的基礎上,設計了一款 18V~36V輸入,輸出5V/10A的軍用模塊電源。實驗結果證實了有源鉗位正激電路的優(yōu)越性。

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