基于ADP1046的交错式双开关正激拓扑评估板深度解析

在电源设计领域，交错式双开关正激拓扑凭借其高效、稳定等特性，成为众多工程师关注的焦点。今天，我们就来深入探讨基于ADP1046的评估板，详细解析其特性、电路设计、操作原理以及测试数据等方面。

文件下载：ADP1046-100-EVALZ.pdf

评估板概述

特性亮点

这款评估板以ADP1046为核心，具备诸多令人瞩目的特性。它采用交错式双开关正激开关电源设计，能够从400V直流输入提供12V/25A的稳压输出。其电压反馈回路确保了输出电压的稳定性，动态相位 shedding功能则可根据负载情况灵活调整工作相位，提高效率。同时，集成的相位间电流平衡功能保证了各相位电流的均匀分配，I2C串行接口方便与PC进行通信，配合软件图形用户界面（GUI），实现对评估板的便捷控制和监测。此外，可编程数字滤波器、7路PWM输出（包括用于风扇控制的辅助PWM）、数字微调、OrFET控制等功能，进一步提升了评估板的性能和灵活性。

参考设计内容

评估系统套件包含用户指南UG - 320和ADP1046 300W交错式双开关正激板。不过，用于串行通信的USB - to - I2C转接器（ADP1046USB - Z）和软件CD需要单独订购。

安全注意事项

由于评估板使用高电压和大电流，特别是在初级侧，必须格外小心以确保用户安全。强烈建议在不使用时关闭评估板电源，并且推荐使用限流电源作为输入，因为板上没有保险丝。

电路拓扑与设计

交错式双开关正激拓扑

交错式双开关正激拓扑本质上是两个双开关正激设计并行运行，相位相差180度。这种设计避免了其他拓扑中可能出现的直通问题，提高了电路的可靠性。同时，交错技术还能提高电路效率，降低输出电流纹波，增加有效纹波频率，从而减小输出滤波电容的需求，显著降低输入滤波电感和电容的要求，并改善动态响应。

电路详细设计

• 初级侧：由输入端子（J1、J2）、开关（Q1/Q2为相位1，Q3/Q4为相位2）、电流检测变压器（T3为相位1，T4为相位2）和主功率变压器（T1为相位1，T2为相位2）组成。ADP1046位于次级侧，通过USB 5V和ADP3303 LDO（U2）供电。初级开关的栅极信号由ADP1046通过MOSFET驱动器（U1）发出，并通过脉冲变压器（T5为相位1，T6为相位2）传递。
• 次级侧：包括同步整流器（Q5为相位1，Q6为相位2）和续流FET（Q7为相位1，Q9为相位2）。RC串联连接（R2/C2、R4/C4、R25/C22、R3/C3）作为这些FET的缓冲器。次级侧FET由U2和U3驱动，它们是具有4.2V（典型值）欠压锁定（UVLO）的4A驱动器。此外，次级侧还包括输出滤波电感（L1为相位1，L2为相位2）和输出电容（C10和C8），以及用于高频去耦的电容（C15、C16）。

关键功能设计

• OrFET控制：OrFET由二极管（D7）和电容（C13）组成的峰值检测器驱动，通过连接到FET（Q14）的GATE引脚实现关断。
• 电流和电压检测：输出负载电流通过电阻（R5、R8）检测，也可使用OrFET的Rds_on进行替代。输出电压在VS1和VS2处检测用于OrFET控制，在VOUT处检测用于输出负载调节。跳线（J18、J20）可用于远程检测。
• 初级电流检测：通过CS1引脚检测初级电流，齐纳二极管（D17）保护该引脚不超过其绝对最大额定值。
• 温度保护：热敏电阻（RTD1）位于次级侧Q7和Q9之间，作为电源的热保护。一个20kΩ电阻与热敏电阻并联，允许软件GUI直接读取温度。
• 线前馈功能：变压器次级侧的开关节点通过RCD滤波器（R56、C25、D10）滤波，一部分电压馈入ACSNS引脚。

评估板操作与设置

设备准备

需要准备的设备包括350V至400V、400W的直流电源、25A/300W的电子负载、带有差分探头的示波器、安装了ADP1046 GUI的PC以及用于测量直流电压的精密数字电压表（如HP34401或等效设备）。

软件安装与设置

1. 插入安装CD安装ADP1046软件，软件安装程序会自动启动，并安装USB - to - I2C适配器的驱动程序，以便GUI与IC进行通信。
2. 将子卡插入连接器J5。
3. 确保PSON开关（SW1）处于关闭位置。
4. 使用USB - to - I2C接口转接器将USB转接器的一端连接到评估板，另一端连接到PC的USB端口，此时白色LED（D21）应亮起。
5. 如果软件检测到ADP1046，点击“Finish”进入主软件界面设置窗口。如果未检测到，软件将进入仿真模式，此时需确保连接器连接到J10（主板）或J7（子卡），并点击“Scan Now”图标。
6. 点击“Store Board Settings to EEPROM”图标，选择ADP1046_I2SF_B_xxx.46b文件，该文件包含所有板卡信息。
7. 可选择加载原始寄存器配置文件ADP1046_I2SF_B_xxxx.46r。

电源连接与启动

1. 连接直流电源（标称385V直流，电流限制约为1A）和设置为1A的电子负载。
2. 在测试点TP37和TP38连接电压表，使用差分探头，并确保在变压器初级侧进行示波器测量时探头接地隔离。
3. 将PSON开关（SW1）打开，点击仪表板设置图标，通过PSON开启软件。此时评估板应开始工作，输出应为12V直流。

状态监测

点击“Monitor”选项卡，然后点击“Flags and Readings”按钮，可在一个用户友好的窗口中查看电源供应单元（PSU）的完整状态。评估板上的LED可提供板卡状态信息，所有LED亮起表示无故障，如PGOOD1或PGOOD2 LED熄灭，则表示出现故障。

工作原理

启动过程

1. 向ADP1046施加VDD（3.3V）后，约20µs内VCORE达到2.5V，数字核心激活，寄存器内容下载到EEPROM，ADP1046准备就绪。
2. 施加PSON信号，仅当硬件和软件PSON的逻辑与为真（可编程）时，电源开始80ms的软启动斜坡。
3. 由于预充电设置的软启动激活，在软启动斜坡开始前检测输出电压，根据有效软启动的输出电压水平，斜坡按比例减小。
4. OrFET的开启取决于VS1和VS2的电压差。如果PSU独立运行，当VS1 - VS2小于或等于GUI中编程的阈值时，OrFET栅极在软启动斜坡开始时开启；如果PSU接入已处于12V的带电母线，OrFET仅在软启动斜坡结束时，当内部（或本地）输出电压（VS1）接近调节点且VS1 - VS2大于编程阈值时开启。在此之前，软启动滤波器激活，调节/反馈路径通过VS1；OrFET开启后，反馈路径通过VS3，补偿滤波器根据负载和轻载阈值切换到正常模式或轻载滤波器。
5. PSU进入稳态运行，根据负载条件，一个或两个相位激活（负载电流大于14A时第二相位开启）。PGOOD1和PGOOD2在编程的消抖时间后开启。
6. 如果在软启动或稳态期间触发故障，相应的标志位设置，执行编程的操作，如PSU禁用并在1秒后重新启用、SR断电、OrFET禁用和OUTAUX禁用。

稳态运行

MOSFET驱动器在PSON施加前，当输出处于调节状态时，使用辅助升压转换器从主12V供电。仅当负载电流增加到大于14A时，第二相位开启。CS2上的异步电流检测每75µs对负载电流进行平均，当负载电流超过阈值时，退出轻载模式。如果发生欠压保护（UVP）、过压保护（OVP）、CS2过流保护（OCP）或CS1 OCP等故障，在消抖时间后执行编程的操作，如禁用OrFET或禁用PWM。如果PSU关闭，在编程的延迟后启动软启动斜坡。

配置与控制

标志设置

当标志触发时，ADP1046状态机等待可编程的消抖时间后采取行动。每个标志的响应可单独编程，点击“Setup”然后“Flag Settings”可配置标志。“Get First Flag”按钮可确定故障事件中第一个设置的标志。

PWM设置

ADP1046具有完全可编程的PWM设置，可控制7个PWM。集成的伏秒平衡功能用于交错式双开关正激设计的两个相位的电流平衡，在其他功率转换电路中可用于消除直流阻塞电容。每个PWM边缘可按5ns步长移动以实现所需的死区时间，最大调制限制设置最大占空比。

风扇控制

OUTAUX PWM用于控制连接到连接器J19的外部风扇，风扇的平均速度取决于负载，PWM输入进行占空比调制，在最大负载时提供最大速度。

动态相位 shedding和待机功率

动态相位 shedding通过ADP1046的轻载功能实现，检测到输出电流变化后75µs内激活。IC在满载电流的60%时进入双相位模式，负载电流小于约54%时自动关闭第二相位的PWM。通过外部微控制器与IC通信，ADP1046还可在无负载时禁用同步整流器，进入脉冲跳过模式以节省更多功率。

评估与测试数据

启动测试

在不同输入电压（350V DC和385V DC）和负载条件（无负载和25A负载）下进行启动测试，记录输出电压和负载电流的变化。测试结果显示，评估板在各种条件下都能稳定启动，输出电压能快速达到稳定值。

关键波形测试

• 变压器初级波形：在25A负载、350V DC和400V DC输入电压下，测量变压器初级的电压波形，观察到两个相位的波形相位相差180度，符合交错式设计的特点。
• 初级电流：测量输入RMS电流，了解初级电流在不同负载和输入电压下的变化情况。
• 漏极电压和电流：测量初级MOSFET的漏极电压和CS1引脚电压，分析其在负载变化时的响应。
• CS1引脚电压和相位电流平衡：比较电流平衡启用和禁用时CS1引脚电压的变化，验证电流平衡功能的有效性。

其他性能测试

• 同步整流器峰值反向电压（PIV）：测量同步整流器和续流MOSFET的PIV，确保其在正常工作范围内。
• 输出纹波：测量输出电压的纹波，在25A负载下，输出电压纹波符合设计要求。
• 瞬态电压：进行不同负载阶跃（0% - 25%、25% - 50%、50% - 75%、75% - 100%等）测试，观察输出电压的瞬态响应，评估评估板的动态性能。
• 相位 shedding开启/关闭时间：测量同步整流器PWM在负载变化时的开启和关闭时间，确保相位 shedding功能的及时性。
• 负载瞬态时的初级电流：观察负载从10A到20A和从20A到10A变化时的初级电流变化，验证电流平衡和相位 shedding功能的协同工作。
• 输出过流保护：测试输出短路保护功能，设置不同的消抖时间和响应动作，确保评估板在过流情况下能及时保护。
• 数字电流共享：通过多个评估板进行数字电流共享测试，观察输出电流和共享总线引脚的电压变化，验证电流共享功能的有效性。
• 闭环频率响应：使用网络分析仪测试系统的波特图，得到交叉频率、相位裕度和增益裕度等参数，评估系统的稳定性。
• 效率测试：测量不同输入电压和负载下的效率，分析效率随输入电压和负载的变化关系，评估评估板的能效性能。
• 线性度测试：测试CS1、ACSNS和CS2的线性度，确保测量值与实际值的一致性。
• 无负载功率：比较轻载模式启用和禁用时的无负载功率，评估轻载模式对节能的效果。
• 热性能测试：在385V DC输入、12V/25A输出负载、无气流、60分钟浸泡时间的条件下，测试评估板的热性能，确保其在高温环境下能正常工作。

总结

这款基于ADP1046的交错式双开关正激拓扑评估板具有丰富的功能和出色的性能。其交错式设计提高了电路效率和可靠性，多种保护功能确保了系统的安全性，数字控制和监测功能方便工程师进行调试和优化。通过详细的测试数据，我们可以看到评估板在不同工作条件下都能稳定运行，各项性能指标均符合设计要求。对于从事电源设计的工程师来说，这款评估板是一个非常有价值的参考和开发平台。

你在设计电源电路时，是否也会优先考虑交错式拓扑呢？你在实际应用中遇到过哪些类似的问题，又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。