電子工程師必備：IRS27951評(píng)估板深度剖析

在電子工程領(lǐng)域，電源設(shè)計(jì)一直是至關(guān)重要的一環(huán)。今天，我們將深入探討IRAC27951SR - 240W評(píng)估板，它集成了IRS27951諧振半橋控制器和IR11682雙通道同步整流控制器，為電源設(shè)計(jì)帶來了新的解決方案。

文件下載：IRAC27951SR.pdf

核心芯片介紹

IRS27951/2

IRS2795(1,2)是一款8引腳的高壓雙端控制器，專為諧振半橋拓?fù)湓O(shè)計(jì)。它具有50%的互補(bǔ)占空比，高低側(cè)器件驅(qū)動(dòng)相位相差180°。該芯片的一大亮點(diǎn)是可通過2引腳振蕩器對(duì)多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行外部編程，如工作頻率范圍、啟動(dòng)頻率、死區(qū)時(shí)間、軟啟動(dòng)時(shí)間和睡眠模式等。同時(shí)，它采用了IR的專有高壓技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了VS感應(yīng)電路，可監(jiān)測(cè)低側(cè)半橋MOSFET的電流，用于短路故障保護(hù)，還能消除額外的電流感應(yīng)電阻、濾波器和電流感應(yīng)引腳。此外，它的微功率啟動(dòng)電流（(I_{CC}<100 mu A)）和用戶可啟動(dòng)的睡眠模式（IC功耗小于200uA @ (Vcc =15 ~V)），有助于降低系統(tǒng)待機(jī)功耗，滿足嚴(yán)格的能源標(biāo)準(zhǔn)。

IR11682

IR11682是一款二次側(cè)SmartRectifierTM驅(qū)動(dòng)IC，用于驅(qū)動(dòng)諧振轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中的兩個(gè)N溝道功率MOSFET作為同步整流器。它通過差分感應(yīng)每個(gè)整流MOSFET的漏源電壓來確定電流水平，并在零電流過渡附近精確控制功率開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷。該芯片還具備多種電源管理功能，如寬VCC工作范圍、直通保護(hù)邏輯、低延遲的零電流過渡控制、逐周期MOT保護(hù)電路和內(nèi)部鉗位的柵極驅(qū)動(dòng)輸出等，大大簡(jiǎn)化了同步整流控制。

評(píng)估板規(guī)格與設(shè)計(jì)

規(guī)格參數(shù)

設(shè)計(jì)特點(diǎn)

評(píng)估板采用雙層2oz銅PCB，前端為傳統(tǒng)的AC - DC整流級(jí)，包括整流橋和EMI濾波器；下游是多諧振半橋LLC轉(zhuǎn)換器，由IRS27951控制器驅(qū)動(dòng)。變壓器采用磁集成方法，將諧振串聯(lián)和并聯(lián)電感集成在電源變壓器中，二次繞組采用中心抽頭配置。二次整流采用同步整流控制器IR11682和兩個(gè)PQFN功率MOSFET，大大降低了傳導(dǎo)功率損耗，無需散熱片，還節(jié)省了PCB面積。

評(píng)估板操作步驟

負(fù)載連接

將能夠承受240W連續(xù)功率的電阻性或電子負(fù)載連接到24V導(dǎo)軌的連接器CON3上，該板無最小負(fù)載要求。

AC/DC輸入

評(píng)估板可接受AC或DC輸入電壓。若使用AC電源，建議在AC側(cè)使用隔離變壓器，以便使用常規(guī)示波器探頭輕松探測(cè)測(cè)試點(diǎn)上的控制信號(hào)。將能夠提供高達(dá)280VAC的交流電源或400V DC電源連接到CON1。當(dāng)BUS電壓在350V DC至420V DC范圍內(nèi)時(shí)，轉(zhuǎn)換器可保持輸出穩(wěn)定。

IRS27951直流電源電壓

評(píng)估板通過啟動(dòng)電路和變壓器的輔助繞組實(shí)現(xiàn)自供電。啟動(dòng)電路在施加AC或DC輸入電壓后開始工作，但只有當(dāng)BUS電壓達(dá)到350Vdc或更高時(shí)，Vcc才會(huì)穩(wěn)定?？稍跍y(cè)試點(diǎn)VCC和COM監(jiān)測(cè)VCC電壓。

斷開評(píng)估板

每次評(píng)估完成后，建議對(duì)大容量電容器C4進(jìn)行放電。具體操作是先從CON1斷開高壓AC或DC電源，然后在初級(jí)Vcc和COM測(cè)試點(diǎn)施加外部12V DC電壓，直到總線電壓降至0V。

系統(tǒng)性能表征

穩(wěn)態(tài)和啟動(dòng)波形

在不同輸入電壓（350V DC、390V DC、420V DC）和負(fù)載條件（滿載和空載）下，對(duì)低側(cè)器件(V_{GS})、VS引腳電壓、諧振槽電流和輸出電壓等波形進(jìn)行了測(cè)試。啟動(dòng)時(shí)，同步整流電路在輸出電壓約為18V時(shí)激活，輸出電壓會(huì)有小的階躍上升，同時(shí)初級(jí)電流會(huì)因輸出電容器的充電電流而出現(xiàn)小的峰值。開關(guān)頻率在10ms - 15ms內(nèi)從200kHz掃描到調(diào)節(jié)頻率，可防止啟動(dòng)期間出現(xiàn)高電流尖峰，且輸出電壓在啟動(dòng)時(shí)無過沖。

同步整流波形

對(duì)不同輸入電壓和負(fù)載條件下的同步整流波形進(jìn)行了測(cè)試，包括SR柵極1、SR柵極2、VS引腳電壓和諧振槽電流等。

動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)和輸出電壓調(diào)節(jié)

通過從滿載到空載和從空載到滿載的負(fù)載階躍測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，欠沖和過沖均在+/-3%以內(nèi)。輸出電壓在整個(gè)線路負(fù)載范圍內(nèi)嚴(yán)格調(diào)節(jié)在+/-1%的調(diào)節(jié)帶內(nèi)。

輸出紋波

24V輸出紋波在DC輸入電壓下非常小，AC輸入時(shí)紋波較大，主要是由于初級(jí)母線電壓上的低頻（2xfAC）紋波。若在前級(jí)使用PFC預(yù)調(diào)節(jié)器，紋波將大大減小。輕載時(shí)，同步整流電路可能進(jìn)入待機(jī)模式，IR11682的柵極將被禁用，SR MOSFET的體二極管將承載輸出電流，會(huì)產(chǎn)生一些輸出紋波，但紋波在200mV以內(nèi)，小于額定輸出的1%。

用戶啟動(dòng)睡眠模式

通過將IRS27951的CT/SD引腳外部拉至COM，可使IC進(jìn)入睡眠模式，大大降低IC功耗，有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電源管理功能，減少整體待機(jī)功耗。

效率圖表

在350V、390V和420V DC輸入下，對(duì)不同負(fù)載范圍的效率進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，評(píng)估板在不同輸入電壓和負(fù)載條件下均能保持較高的效率。

熱數(shù)據(jù)

在400Vdc輸入和240W滿載、室溫條件下，對(duì)評(píng)估板的關(guān)鍵部件進(jìn)行了熱性能測(cè)試，包括MOSFET、IRS27951和變壓器等，為實(shí)際應(yīng)用中的散熱設(shè)計(jì)提供了參考。

變壓器規(guī)格

基本參數(shù)

最小工作頻率為80 kHz，初級(jí)電感為600 μH ±10% @1 kHz - 0.25V，漏電感為125 μH ±10% @1 kHz - 0.25V。

電氣圖和繞組信息

提供了變壓器的電氣圖，詳細(xì)說明了各引腳的連接方式。同時(shí)，還給出了諧振變壓器繞組在骨架上的位置和繞組特性，包括各繞組的引腳、匝數(shù)和線徑等信息。變壓器供應(yīng)商為Yu Jing Technology Co., LTD，型號(hào)為L(zhǎng)P3925H。

通過對(duì)IRAC27951SR - 240W評(píng)估板的詳細(xì)分析，我們可以看到它在電源設(shè)計(jì)方面的諸多優(yōu)勢(shì)。各位電子工程師在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)具體需求充分利用這些特性，優(yōu)化電源設(shè)計(jì)方案。你在電源設(shè)計(jì)中遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。