探索MAXREFDES116#：高效隔離電源設(shè)計的新選擇

在工業(yè)電源設(shè)計領(lǐng)域，高效、可靠且緊湊的電源解決方案一直是工程師們追求的目標(biāo)。今天，我們就來深入探討Maxim推出的MAXREFDES116#隔離式24V轉(zhuǎn)5V 40W電源參考設(shè)計，看看它為我們帶來了哪些創(chuàng)新和優(yōu)勢。

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一、設(shè)計概述

Maxim的電源專家精心打造了一系列隔離式工業(yè)電源參考設(shè)計，MAXREFDES116#便是其中之一。它能將24V高效轉(zhuǎn)換為5V電壓軌，功率可達40W（8A）。該設(shè)計采用了MAX17599有源鉗位電流模式PWM控制器，整個電路集成在一塊20mm × 70mm的電路板上，具有功能絕緣、緊湊靈活、低功耗、外部組件少等特點，能在惡劣工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定運行。其應(yīng)用場景廣泛，涵蓋PLC、工業(yè)過程控制和傳感器、電信和數(shù)據(jù)通信電源等領(lǐng)域。

二、關(guān)鍵特性與優(yōu)勢

（一）有源鉗位拓?fù)?/h3>

MAXREFDES116#采用有源鉗位變壓器復(fù)位拓?fù)?，具有諸多優(yōu)勢。它能降低開關(guān)上的電壓應(yīng)力，允許更大的磁通擺幅從而減小變壓器尺寸，還能消除耗散緩沖電路，提高效率。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得電源設(shè)計更加緊湊和經(jīng)濟高效。

（二）全面的保護功能

1. 輸入欠壓鎖定（EN/UVLO）：可設(shè)置輸入電源啟動電壓（設(shè)計中設(shè)置為16.5V），確保在欠壓情況下正常工作，同時也可用于開啟或關(guān)閉IC。
2. 過壓輸入保護（OVI）：當(dāng)輸入電源超過最大允許值（設(shè)計中設(shè)置為37.0V）時，控制器會自動關(guān)閉，保障設(shè)備安全。
3. 軟啟動和打嗝過流保護：軟啟動功能可控制浪涌電流，設(shè)置調(diào)節(jié)器的軟啟動時間；打嗝過流保護能在故障條件下將功耗降至最低。
4. 軟停止功能：設(shè)備關(guān)閉時，軟停止功能可安全放電鉗位電容，使控制器能以可控方式重啟。
5. 負(fù)電流限制：電流檢測電路中的負(fù)電流限制功能，有助于在動態(tài)運行條件下限制鉗位開關(guān)電流。
6. 過溫保護：當(dāng)出現(xiàn)過溫故障時，會觸發(fā)熱關(guān)斷，可靠保護設(shè)備。

（三）可調(diào)節(jié)與低EMI特性

該設(shè)計開關(guān)頻率設(shè)置為350kHz，對于對EMI敏感的應(yīng)用，用戶可以編程頻率抖動方案，實現(xiàn)低EMI擴頻操作。

三、電路詳細(xì)解析

（一）硬件描述

MAX17599低 (I_{0}) 有源鉗位電流模式PWM控制器包含了設(shè)計寬輸入隔離正激轉(zhuǎn)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)有源鉗位變壓器復(fù)位拓?fù)?，可編程的AUX和主驅(qū)動器之間的死區(qū)時間允許零電壓開關(guān)。

（二）初級功率級

初級側(cè)由n溝道MOSFET（N1）和p溝道MOSFET（P1）驅(qū)動。N1導(dǎo)通時，向次級傳遞功率并在變壓器中存儲磁化能量，此時P1截止，鉗位電容（C12）以恒定電壓充電。N1關(guān)斷后，N1的漏源電容被充電，當(dāng)漏源電壓超過鉗位電容電壓時，P1的體二極管導(dǎo)通，磁化電流開始給鉗位電容充電，之后P1導(dǎo)通實現(xiàn)零電流開關(guān)。P1關(guān)斷后，鉗位電容保持固定電壓，N1開啟前有固定延遲，使寄生組件中的能量將N1的 (V{DS}) 向 (V{IN}) 放電，實現(xiàn)更軟的開啟和更低的開關(guān)損耗。

（三）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。N1導(dǎo)通時，N2導(dǎo)通，N3截止，電感和負(fù)載電容充電儲能；N1關(guān)斷時，N2截止，N3導(dǎo)通，電感電流通過N3繼續(xù)向負(fù)載電容傳輸能量。濾波電感輸入端的電壓是典型的降壓轉(zhuǎn)換器方波，電感和輸出電容對其濾波產(chǎn)生直流輸出電壓。

（四）反饋控制回路

反饋網(wǎng)絡(luò)采用典型的隔離正激轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，由TLV431B可編程并聯(lián)穩(wěn)壓器、3000V隔離光耦和其他RC組件構(gòu)成。

（五）啟動電壓和輸入過壓保護設(shè)置

MAX17599的EN/UVLO引腳既是使能/禁用輸入，也是精確可編程欠壓鎖定引腳。當(dāng)EN/UVLO引腳電壓超過1.21V（典型值）時，MAX17599開始啟動；低于1.15V（典型值）時關(guān)閉。通過電阻分壓器將輸入直流母線電壓分壓后加到EN/UVLO引腳，可設(shè)置啟動電壓。同時，可通過額外電阻（ (R{ovi}) ）實現(xiàn)過壓輸入保護。根據(jù)公式可計算出啟動電壓 (V{START}) 和輸入過壓閾值 (V_{OVI}) 。

四、測試與驗證

（一）測試設(shè)備與步驟

測試MAXREFDES116#需要MAXREFDES114#、一個輸出電壓可達37V、電流可達3A的可調(diào)直流電源、一個電子負(fù)載、兩個電壓表和兩個電流表。具體操作步驟包括關(guān)閉電源，連接電源、電流表、電壓表和電子負(fù)載等，然后開啟電源，設(shè)置輸出電壓和電子負(fù)載電流，最后驗證電壓表讀數(shù)是否在±0.25V范圍內(nèi)。

（二）測試結(jié)果

1. 功率效率與負(fù)載電流關(guān)系：不同輸入電壓下的功率效率隨負(fù)載電流變化的曲線表明，在輸入為24V時，參考設(shè)計的峰值效率可達91.5%。
2. 輸出紋波：輸入為24V、滿載（8A）時的輸出紋波測試結(jié)果顯示，紋波大小在一定范圍內(nèi)。
3. 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)：當(dāng)負(fù)載在不同電流值之間切換時，如從5mA到3.2A、從4.8A到8A，設(shè)備能快速響應(yīng)并穩(wěn)定輸出電壓。

五、總結(jié)與思考

MAXREFDES116#參考設(shè)計為工業(yè)電源設(shè)計提供了一個高效、可靠且緊湊的解決方案。其全面的保護功能、先進的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和良好的性能表現(xiàn)，使其適用于多種工業(yè)應(yīng)用場景。作為電子工程師，我們在實際設(shè)計中可以借鑒其設(shè)計思路和方法，同時也可以根據(jù)具體需求對其進行優(yōu)化和改進。你在使用類似電源設(shè)計時遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。