深入剖析MAXREFDES114#：高效隔離電源設(shè)計方案

一、引言

在工業(yè)電子領(lǐng)域，可靠且高效的電源供應(yīng)至關(guān)重要。Maxim推出的MAXREFDES114#隔離式24V轉(zhuǎn)5V 10W電源供應(yīng)參考設(shè)計，為工程師們提供了一個優(yōu)秀的解決方案。它不僅能滿足多種工業(yè)應(yīng)用的需求，還具備諸多先進(jìn)特性。

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二、設(shè)計概述

Maxim的電源專家設(shè)計并構(gòu)建了一系列隔離式工業(yè)電源參考設(shè)計，MAXREFDES114#便是其中之一。它采用高效的有源鉗位拓?fù)湓O(shè)計，輸入電壓范圍為17V - 36V，輸出為5V/10W（2A）。整個電路集成在一塊20mm × 40mm的電路板上，非常緊湊。設(shè)計中使用了MAX17599有源鉗位、電流模式PWM控制器，該控制器針對工業(yè)電源進(jìn)行了優(yōu)化。

2.1 特性

• 功能絕緣：確保電源在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中的安全性和穩(wěn)定性。
• 緊湊靈活：小尺寸設(shè)計便于集成到各種設(shè)備中。
• 低功耗：有效降低能源消耗。
• 最少外部組件：簡化了電路設(shè)計和制造成本。
• 惡劣工業(yè)環(huán)境下的穩(wěn)健運(yùn)行：能夠適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的各種復(fù)雜工況。

2.2 應(yīng)用場景

• 可編程邏輯控制器（PLC）：為PLC提供穩(wěn)定的電源支持。
• 工業(yè)過程控制和傳感器：保障工業(yè)自動化系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
• 電信和數(shù)據(jù)通信電源：滿足通信設(shè)備對電源的高要求。

三、詳細(xì)技術(shù)分析

3.1 硬件描述

3.1.1 MAX17599控制器

MAX17599低 (I_{0}) 有源鉗位電流模式PWM控制器包含了設(shè)計寬輸入隔離式正激變換器工業(yè)電源所需的所有控制電路。它的AUX驅(qū)動器驅(qū)動輔助MOSFET（鉗位開關(guān)），實現(xiàn)了正激變換器的有源鉗位變壓器復(fù)位拓?fù)?。這種復(fù)位拓?fù)渚哂薪档烷_關(guān)電壓應(yīng)力、減小變壓器尺寸和提高效率等優(yōu)點。同時，AUX和主驅(qū)動器之間的可編程死區(qū)時間允許零電壓開關(guān)。

3.1.2 初級功率級

有源鉗位變壓器初級側(cè)由n溝道MOSFET（N1）和p溝道MOSFET（P1）驅(qū)動。當(dāng)N1導(dǎo)通時，能量傳遞到次級，同時變壓器存儲磁化能量；此時P1關(guān)閉，鉗位電容（C12）以恒定電壓充電。當(dāng)N1關(guān)閉時，漏感和磁化電流對N1的漏源電容充電，當(dāng)N1的漏源電壓超過鉗位電容兩端電壓時，P1的體二極管開始導(dǎo)通，磁化電流開始對鉗位電容充電。之后P1導(dǎo)通，實現(xiàn)p溝道MOSFET的零電流開關(guān)。當(dāng)磁化電流降為0A時，磁化電流反向，鉗位電容開始放電直到P1關(guān)閉。P1關(guān)閉后，鉗位電容保持固定電壓，N1在固定延遲后導(dǎo)通，在此期間寄生元件的能量使N1的 (V{DS}) 向 (V{IN}) 放電，實現(xiàn)N1的軟啟動和降低開關(guān)損耗。

3.1.3 次級功率級

次級功率級由同步整流器（N2，N3）和輸出濾波器（L2，C11，C19，C20，C23）組成。當(dāng)N1導(dǎo)通時，N2導(dǎo)通，N3關(guān)閉，此時變壓器的NS:NP匝數(shù)比乘以輸入電壓的電壓施加在N3上，電感和負(fù)載電容充電儲能。當(dāng)N1關(guān)閉時，N2關(guān)閉，N3導(dǎo)通，電感電流通過N3繼續(xù)將能量傳遞到負(fù)載電容。濾波器電感輸入端的電壓是典型的降壓變換器方波，電感和輸出電容對其進(jìn)行濾波，在輸出端產(chǎn)生直流電壓。

3.1.4 反饋控制回路

反饋網(wǎng)絡(luò)采用TLV431B可編程并聯(lián)穩(wěn)壓器、3000V隔離光耦和其他RC組件構(gòu)建，這是大多數(shù)隔離式正激變換器常見的反饋方式。

3.2 保護(hù)設(shè)置

3.2.1 啟動電壓和輸入過壓保護(hù)（EN/UVLO，OVI）

MAX17599的EN/UVLO引腳既作為使能/禁用輸入，又是精確的可編程欠壓鎖定（UVLO）引腳。只有當(dāng)EN/UVLO引腳電壓超過1.21V（典型值）時，MAX17599才開始啟動操作；當(dāng)該引腳電壓低于1.15V（典型值）時，MAX17599關(guān)閉?？梢允褂脧妮斎胫绷髂妇€到地的電阻分壓器將輸入直流電壓的一部分分壓后施加到EN/UVLO引腳。通過選擇合適的電阻分壓器值，可以使EN/UVLO引腳電壓在期望的輸入直流母線電壓下超過1.21V（典型值）的啟動閾值。同時，在電阻分壓器中增加一個額外的電阻（ (R_{ovl}) ），可以在EN/UVLO功能的基礎(chǔ)上實現(xiàn)輸入過壓保護(hù)。當(dāng)OVI引腳電壓超過1.21V（典型值）時，MAX17599停止開關(guān)操作；只有當(dāng)OVI引腳電壓低于1.15V（典型值）時，才會以軟啟動方式恢復(fù)開關(guān)操作。

3.3 軟啟動與其他保護(hù)

為了控制浪涌電流，設(shè)備集成了軟啟動（SS）引腳來設(shè)置穩(wěn)壓器的軟啟動時間。在故障條件下，打嗝式過流保護(hù)（打嗝模式）可將功耗降至最低。軟停止功能確保設(shè)備關(guān)閉時鉗位電容的安全放電，并使控制器能夠以可控的方式重啟。此外，電流檢測電路中提供負(fù)電流限制，有助于在動態(tài)操作條件下限制鉗位開關(guān)電流。過溫故障會觸發(fā)熱關(guān)斷，確保設(shè)備的可靠保護(hù)。

四、快速啟動指南

4.1 所需設(shè)備

• MAXREFDES114#電路板
• 一臺輸出電壓可達(dá)37V、電流可達(dá)3A的可調(diào)直流電源
• 一個電子負(fù)載
• 兩個電壓表
• 兩個電流表

4.2 操作步驟

1. 關(guān)閉電源供應(yīng)。
2. 將電源的正極端子連接到MAXREFDES114#電路板的 (V_{IN}) 連接器。
3. 將MAXREFDES114#電路板的PGND連接器連接到一個電流表的正極端子，將電流表的負(fù)極端子連接到電源的負(fù)極端子。
4. 在MAXREFDES114#電路板的 (V_{IN}) 和PGND連接器之間連接一個電壓表。
5. 將MAXREFDES114#電路板的 (Vout) 連接器連接到電子負(fù)載的正極端子。
6. 將電子負(fù)載的負(fù)極端子連接到第二個電流表的正極端子，將電流表的負(fù)極端子連接到MAXREFDES114#電路板的GNDO連接器。
7. 在MAXREFDES114#電路板的 (V_{OUT}) 和GNDO連接器之間連接第二個電壓表。
8. 打開電源供應(yīng)，將輸出設(shè)置為24V。
9. 將電子負(fù)載設(shè)置為0A - 2A之間的恒定電流。
10. 驗證第二個電壓表的讀數(shù)是否為5V ±0.25V。

五、實驗室測量

5.1 功率效率與負(fù)載電流關(guān)系

通過測試，得到了不同輸入電壓下功率效率與負(fù)載電流的關(guān)系曲線。從曲線可以看出，在輸入為24V時，參考設(shè)計的峰值效率可達(dá)92%。這表明該設(shè)計在不同負(fù)載條件下都能保持較高的效率，對于節(jié)能和降低散熱要求具有重要意義。

5.2 輸出紋波和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

在輸入為24V的情況下，對輸出紋波和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了測試。輸出紋波在滿載（2A）時表現(xiàn)良好，負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)在負(fù)載從5mA到800mA以及從1.2A到2A的切換過程中也能快速穩(wěn)定，這說明該電源設(shè)計具有較好的動態(tài)性能。

六、訂購信息

MAXREFDES114#有不同的型號，每個型號使用不同的變壓器供應(yīng)商，如Wurth、Sumida、Hanrun、Halo等。工程師可以根據(jù)自己的需求和偏好選擇合適的型號。

七、總結(jié)

MAXREFDES114#隔離式24V轉(zhuǎn)5V 10W電源供應(yīng)參考設(shè)計以其高效、緊湊、可靠等優(yōu)點，為工業(yè)電源設(shè)計提供了一個優(yōu)秀的解決方案。它不僅具備先進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和保護(hù)功能，還在多種測試條件下表現(xiàn)出良好的性能。對于電子工程師來說，無論是在PLC、工業(yè)過程控制、電信和數(shù)據(jù)通信等領(lǐng)域，都可以考慮采用該設(shè)計來滿足電源需求。你在實際應(yīng)用中是否遇到過類似的電源設(shè)計問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。