基于LM5025的有源箝位模块电源设计

2011-09-30 15:14:44来源: 互联网

1  引言

  当今,由于模块电源具有体积小、效率高、可靠性高、使用方便等优点,已广泛使用于航空航天、机车舰船、军工兵器、邮电通信、和科研实验等社会生产和生活的各个领域,尤其是在高可靠和高技术领域发挥着不可替代的重要作用。中小功率的模块电源一般使用单端正激电路,然而由于其磁特性工作在第一象限,并且是硬开关工作模式,决定了该电路存在一些固有的缺陷:变压器体积大,损耗大;开关器件电压应力高,开关损耗大;dv/dt和di/dt大,EMI问题难以处理。 为了克服这些缺陷,文献[1]提出了有源钳箝位正激变换器拓扑,从根本上改变了单端正激变换器的运行特性,并且能够实现零电压软开关工作模式,从而大量地减少了开关器件和变压器的功耗,降低了dv/dt和di/dt,改善了电磁兼容性。因此,有源钳位正激变换器拓扑迅速获得了广泛的应用。

  2  主电路工作原理

  有源箝位电路通常由有源器件(或称箝位开关)和箝位电容串联而成,并联在主管或变压器原边绕组两端。在主功率开关管关断期间,由箝位电容将主开关管两端电压嵌位在一定数值水平上,基本保持不变,使主开关管避免承受过高的电压。

  在正激变流器中采用有源箝位技术,即有源嵌位正激电路,还可以实现变压器磁芯磁通的自动复位,无需另加复位措施;并可使激磁电流沿正反方向流通,使磁芯可以在磁化曲线的第一和第三象限运行,提高了磁芯的利用率。同时,该复位技术和其他复位方式相比,电路还具有如下两个优点:

  (1)由于它的复位电压可以自动调节,所以占空比可以大于50%,非常适合Brike DC/DC的宽范围要求;

  (2)正激有源箝位电路变压器上是完整的方波,能很自然的给副边两个同步整流管提供简单有效的自驱动的方案。

  本文采用的电路拓扑如图1所示,增加了辅助开关Sa(带反并二极管)和储能电容Cs,以及谐振电容Cds1、Cds2,且略去了传统正激变换器的磁恢复电路。开关S和Sa工作在互补状态。为了防止开关S和Sa共态导通,两开关的驱动信号间留有一定的死区时间。由于变压器上为完整的方波,副边两个同步整流管采用变压器自驱动方案。

 

 

 

  3  控制芯片选择

  LM5025是一款有源钳位专用的PWM变换器,其内部驱动器可驱动P沟道或N沟道钳位开关。LM5025有两路控制输出:主功率驱动(OUT_A)输出和有源钳位驱动(OUT_B)输出。有源钳位输出可以设定重叠时间(P沟道开关管)或死区时间(N沟道开关管)。两路驱动输出具有良好的驱动性能,即可驱动MOS管,也可驱动双极晶体管。除此以外,还有以下优点:

  (1)高压启动稳压器

  LM5025内部有一个高电压启动稳压器,允许VIN直接连接输入电压。稳压器最大输出电流为20mA。VCC端电压达到7.6V,内部5V基准电压建立,控制器开始工作。当VCC低于6.2V或在输入欠压锁定状态时,控制器关断。在典型应用中,辅助绕组通过二极管连接到VCC端,该绕组必须使VCC电压高于8V,以关断内部启动稳压器。用辅助绕组给VCC供电,不仅提高了效率,而且降低了控制器的损耗。

 

 

(2)输入欠压保护

  LM5025内置输入欠压锁定电路。在VIN和GND之间外接分压电阻,可设定变换器的工作范围。分压电阻必须确保当VIN在工作范围内时,UVLO的电压值大于2.5V。如果VIN低于欠压门限,控制器的所有功能将关断,并进入低功耗待机状态。UVLO的滞环通过内部20μA电流源实现。UVLO端也可以用来实现外部关断,将UVLO端的电压拉至小于2.5V的门限时,变换器关断。

 

 

 

  (3)过流保护

  LM5025有两种过流保护:一种是CS1的采样电压大于0.25V时,逐脉冲限流模式;另一种是CS2的采样电压大于0.25V时,控制器进行打嗝式限流保护。此时控制器关断输出,先对软启动电容放电并将软启动电流源降到1μA,软启动电容完全放电后,再由1μA的电流源缓慢充电。当SS端电压接近1V时,PWM比较器在OUT_A产生第一个脉冲,软启动电流源恢复到20μA。

 

 

 

  (4)热保护

  LM5025内置热关断电路,保护芯片不超过最大结温。热保护典型值是165℃,控制器进入待机状态,输出驱动和输入偏置稳压器都不工作。热滞后25℃之后,变换器重新软启动。

  以LM2025为核心的有缘钳位变换器,具有完善的保护功能、稳定的性能和较低的成本,在电源的设计中得到广泛的使用。

  4  实验结果分析

  实验模块的主功率拓扑采用有源箝位正激变换器电路,该拓扑的变压器复位方式可进一步提高变换器效率,控制电路芯片选用LM5025。变换器输入电压为18V~36V,输出电压为5V,输出电流为10A。标准24V输入,输出满载时效率达到92%。图2为主开关管和箝位管驱动信号波形。由图中可以看出,主路开关管开通和有源钳位管开通之间加入一个死区,以避免两个开关管同时导通。图3为主开关管的VDS波形。由图中可以看出,主开关管两端的电压被钳位在40V左右,降低了开关管的损耗,提高了效率。图4为输出端整流管和续流管的驱动波形。由于变压器上为完整的方波,而副边同步整流管采用的变压器自驱动,故其驱动波形也近似为方波,幅值与变压器的变比和输出电压有关。

  5  结论

  有源钳位电路除具有效率高、磁芯自恢复等优点,还因为变压器上的波形为完整的方波,同步整流可以采用变压器自驱动,因而广泛使用于中小功率的DC/DC变换器电源设计。本文在对有源钳位正激电路分析的基础上,设计了一款 18V~36V输入,输出5V/10A的军用模块电源。实验结果证实了有源钳位正激电路的优越性。

关键字:LM5025  有源箝位  电源

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0930/article_12065.html
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