50瓦特内部总线结构(IBA)电源

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

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图1. 带同步整流的反激转换器


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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。


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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 1R 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 0.025R, 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
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
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。
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。