采用双管正激拓扑构建高性能模块电源设计

引言

　　高功率密度、高效率以及小外型尺寸已成为当前模块电源技术发展的关键驱动力。双管正激电路是实现这些要求的实用电路之一，被广泛应用在中、高功率电源设计中。本文简要介绍了双管正激电路的工作原理及优点，同时详细介绍了应用于双管正激电路的PWM控制器MAX5051的功能和具体的实验结果。

　　双管正激变换器的原理图与波形如图1所示。双管正激变换器的工作可以分为三个过程：能量转移阶段、变压器磁复位阶段和死区阶段。在能量转移阶段，原边的两个开关都导通，能量从输入端向输出端转移。在变压器磁复位阶段，原边的两个二极管都导通，使变压器绕组承受反相输入电压，从而实现变压器磁复位。当变压器完全复位后，变换器工作在死区阶段，即原边无电流、副边续流。在复位过程中，双管正激开关MOSFET被箝位在输入电压。MOSFET上的电压应力小于单管正激，至少低一倍。这样我们可选取具有低导通电阻Rdson的低电压MOSFET，以获得低损耗。

 

图1 双管正激变换器原理图与波形

　　双管正激电路运行非常稳定，受到设计人员的广泛关注，并给予了较高评价。由于原边的两个开关不是使用图腾柱结构，它们同时导通，这就解决了击穿问题。对于半桥和全桥变换器来说，原边开关使用图腾柱结构，一旦由于电磁噪音或电磁辐射引起两个开关同时导通，电路将受到破坏性的中断。这个问题对于受高能量辐射影响的电源来说至关重要，而双管正激电路可以避免这个问题。

　　基于MAX5051的参考设计

　　MAX5051是一款钳位式、双开关电源控制器IC。这款控制芯片可应用于正激或反激结构，输入电压范围是11V至76V。它针对各种可能的故障提供全面的保护机制，实现高度可靠的电源。当与副边同步整流器配合工作时，电源效率很容易达到92% (+3.3V输出电源，工作于48V总线);集成的高侧和低侧栅极驱动器可为两个外部N沟道MOSFET提供峰值在2A以上的栅极驱动电流;低启动电流降低了启动电阻上的功率损耗;带有前馈控制的电压模式控制方案可提供优异的线路抑制，同时又避免了传统的电流模式控制方案的缺陷。

　　MAX5051电源控制器可以在主侧或副侧并联工作，必要时可用来设计冗余电源系统。当主侧并联工作时，通过专用引脚可同时唤醒或关断所有并联单元，以防止在启动或故障情况下发生电流失衡。MAX5051通过产生一路超前信号用于驱动副边同步MOSFET，以避免副边同步整流管和续流管的同时导通。利用特有的主侧同步输入/输出引脚，可使两个主侧电路相差180°工作，增加输出功率并降低输入纹波电流。

　　Maxim电源部制作了一款基于MAX5051的隔离电源模块，图2是详细的电气原理图。我们将该电源模块与市场上流行的电流模式同步整流推挽电源模块（这里我们称其为非定制模块）进行了比较，从所测试的效率曲线（图3）可以看出，基于MAX5051的模块效率明显提高。轻载时，比如1A输出负载，MAX5051模块电源的效率大于62%，而非定制模块的效率则小于58%。在输出功率为半载时（7.5A），MAX5051模块效率为92%，非定制模块效率是88%。满功率负载时，MAX5051模块电源的效率仍比非定制模块效率高出4%。从效率曲线对比，可以得出双管正激电路能够更好的满足模块电源高效率的要求。

 

图2 电气原理图

 

图3 正常输出电压下效率与负载电流的关系曲线

（包括最小、正常和最大输入电压情况，25°C）

　　另外，MAX5051控制器采用了带有输入前馈的电压控制模式，可以在一个周期内克服输入电源的扰动，工作原理与电流模式控制电路相同。带有前馈的电压模式提供了一些电流模式所不具有的显著优点：

　　无最小负载要求
　　干净的调整斜率和更高的幅值提高了稳定性
　　光耦稳定的工作电流使环路带宽最大
　　可预测的环路动态简化了控制环路的设计。
　　从动态响应的图形对比中可以看到，无论是输出过冲，还是恢复时间，MAX5051模块都具有明显的优势。

 

图4  动态响应对比图

　　结语

　　从电路拓扑分析和具体的实验中可以看到，采用MAX5051的双管正激电路可满足现代模块电源高功率密度、高效率以及小外型尺寸的要求，并且通过采用带有前馈的电压模式控制，避免了传统的电流模式控制方案的缺陷，提供了优异的线路抑制。