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連接/參考器件 ADuM3190 2.5 kV rms隔離誤差放大器 ADP1621 恒頻電流模式升壓DC-DC控制器 評估和設計支持 電路評估板 CN-0342電路評估板(EVAL-CN0342-EB1Z) 設計和集成文件 原理圖、布局文件、物料清單 電路功能與優(yōu)勢 圖1所示電路是一種隔離式反激電源，采用線(xiàn)性隔離誤差放大器提供從副邊到原邊的反饋信號。 基于光耦合器的解決方案的傳遞函數是非線(xiàn)性的，隨時(shí)間和溫度而變化；隔離放大器則不同，其傳遞函數是線(xiàn)性的，非常穩定，而且當跨越隔離柵傳輸反饋信號時(shí)，失調和增益誤差極小。 整個(gè)電路采用5 V至24 V電源供電，因而可以配合標準工業(yè)和汽車(chē)電源使用。采用5 V輸入和5 V輸出配置時(shí)，該電路的輸出能力高達1 A。 這款解決方案可以適應于較高直流輸入電壓產(chǎn)生較低輸出電壓的隔離電源應用場(chǎng)合，具有效率高、尺寸小等優(yōu)勢。包括10 W至20 W電信和服務(wù)器電源，對于此類(lèi)電源，效率和印刷電路板(PCB)密度很重要，而且常常使用-48 V電源作為輸入。 圖1. 反激式電源電路原理示意圖 電路描述 所用隔離放大器為ADuM3190，其內置一個(gè)1.225 V基準電壓源和一個(gè)單位增益帶寬積為10 MHz的誤差放大器。 完整的模擬反饋環(huán)路還包括外部阻性分壓器（R1、R2、R3和R4）及補償網(wǎng)絡(luò )（R9、C9和C10）。 ADuM3190兩端的輸入電源范圍均為3.0 V至20 V，內部低壓差穩壓器為基準電壓源、誤差放大器和模擬隔離器提供穩定的電源。 ADuM3190與分布式電源開(kāi)放標準聯(lián)盟(DOSA)的輸出電壓調整方法兼容。 ADP1621為反激電源提供脈寬調制(PWM)控制。利用外加NPN晶體管(Q2)，內部5.5 V分流穩壓器提供高輸入電源電壓的能力。ADP1621工作在電流模式下，且能進(jìn)行無(wú)損電流檢測，從而提供出色的線(xiàn)路和負載瞬態(tài)響應。 設置輸出電壓 輸出電壓通過(guò)一個(gè)分壓器設置，該分壓器位將VOUT 分壓后送入ADuM3190的-IN引腳。系統的輸出電壓由電阻分壓比設置。通過(guò)使用ADuM3190的內置基準電壓源，-IN引腳的調節電壓為1.225 V。 對于5 V輸出配置，電阻分壓器值為：R1 = 2 kΩ，R2 = 47 kΩ，R3 = 51 kΩ，R4 = 100 kΩ。 基準電壓源 ADuM3190提供1.225 V內部基準電壓源，其在-40°C至+125°C溫度范圍內的額定精度為±1%�；鶞孰妷狠敵鲆_(REFOUT)可以連接到誤差放大器的+IN引腳，以便設置輸出電壓。 當需要較高精度或特殊輸出電壓時(shí)，必須使用其他基準電壓源，+IN引腳也可以連接到外部基準電壓源。 變壓器選擇 變壓器選擇很重要，因為它決定了原邊電感的電流紋波。 本設計示例使用以下參數： ● VIN = 5 V ● VOUT = 5 V ● IOUTMAX = 1 A ● fSW = 200 kHz ● 變壓器匝數比 = 1:1 變壓器原邊平均電流ILAVG由下式得出： 其中： ILOAD為負載電流。 D為最大負載電流下的占空比。 NS/NP為變壓器的匝數比。 輸出電壓為： 占空比(D)為50%，因為輸出和輸入均為5 V，且變壓器匝數比為1:1。 原邊電感峰峰值紋波電流與電感值成反比： 其中： fSW為開(kāi)關(guān)頻率。 L為原邊電感值。 假設以連續導通模式(CCM)工作，原邊電感電流計算如下： 假設原邊紋波電流為變壓器原邊平均電流的50%，則電感值的合理選擇為： 本設計使用的變壓器匝數比為1:1，原邊電感為16 μH（Halo Electronics, Inc.，TGB01-P099EP13LF）。 補償網(wǎng)絡(luò ) 在反激式拓撲電源中，輸出負載電阻、輸出電容及其串聯(lián)等效電阻(ESR)會(huì )增加一個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)極點(diǎn)，其頻率取決于元件類(lèi)型和值�？刂频捷敵鰝鬟f函數中還有一個(gè)右半平面(RHP)零點(diǎn)。RHP零點(diǎn)將相位降低90°，因此0 dB增益的頻率（交越頻率）低于RHP零點(diǎn)。 利用ADuM3190的誤差放大器，從-IN引腳到COMP引腳可提供一個(gè)Type II補償網(wǎng)絡(luò )，用以補償控制環(huán)路的穩定性。 補償網(wǎng)絡(luò )值取決于所選元件。 Type II補償網(wǎng)絡(luò )的零點(diǎn)和極點(diǎn)由下式得出： 在該特定設計中，補償網(wǎng)絡(luò )設置為：R9 = 15 kΩ，C9 = 2.2 nF，C10 = 1 nF。 此補償網(wǎng)絡(luò )提供的零點(diǎn)和極點(diǎn)為：fZERO = 4.8 kHz，fPOLE = 15.4 kHz。 提高零點(diǎn)和極點(diǎn)頻率可改善負載瞬態(tài)響應，但會(huì )降低反饋環(huán)路的相位裕量，可能導致電源不穩定。 緩沖器網(wǎng)絡(luò ) 當功率MOSFET (Q3)關(guān)斷時(shí)，變壓器泄露電感會(huì )在漏極上引起高電壓尖峰。 此過(guò)大電壓會(huì )給功率MOSFET帶來(lái)巨大壓力，造成可靠性問(wèn)題或損害。 因此，有必要使用附加網(wǎng)絡(luò )來(lái)鉗位電壓。 當MOSFET漏極電壓超過(guò)D2的陰極電壓時(shí)，由電阻、電容和二極管（R19、C21和D2）組成的緩沖器網(wǎng)絡(luò )通過(guò)接通緩沖器二極管來(lái)吸收泄露電感中的電流。 當功率MOSFET的漏極連接到CS引腳時(shí)，ADP1621以無(wú)損模式工作。 在實(shí)際設計中，為保持精度不變，應將CS引腳的電壓限制在絕對最大值33 V和實(shí)際最大值30 V以下。 如果實(shí)測峰值電壓超過(guò)30 V，或者需要更精確的電流限制，可以將CS引腳與MOSFET源極中的外部電流檢測電阻相連。 原邊電源 ADP1621電源電壓范圍是2.9 V至5.5 V，ADuM3190電源電壓范圍是3.0 V至20 V。 為了采用5 V至12 V輸入電壓電源工作，可將一個(gè)小信號NPN晶體管(Q2)用作穩壓器。 ADP1621的IN引腳內置一個(gè)5.5 V穩壓器，并且連接到NPN晶體管Q2的基極節點(diǎn)。此連接偏置Q2，使得發(fā)射極節點(diǎn)可調節到5.5 V - 0.7 V = 4.8 V，以便用作ADP1621 (PIN)和ADuM3190 (VDD1)的電源電壓。 副邊電源 ADuM3190的副邊(VDD2)電源電壓范圍為3.0 V至20 V，利用內部穩壓器提供3.0 V工作電壓。 如果VOUT設置為高于20 V，應外加一個(gè)穩壓器以提供額定VDD2電壓。 隔離和安全 ADuM3190采用小型16引腳QSOP封裝，隔離電壓額定值為2.5 kV rms。 ADuM3190的安全額定值如表1所示。 常見(jiàn)變化 如需更高輸入電壓，必須使用電流檢測電阻和電流控制環(huán)路。 將R20電阻從0 Ω變?yōu)閼靡蟮闹怠?對于1 A輸出配置，檢測電阻值應選擇50 mΩ。 根據ADP1621中的內部電流反饋環(huán)路，當電流檢測電壓上升時(shí)，開(kāi)關(guān)的最大PWM占空比會(huì )降低。 如果檢測電阻值過(guò)高，開(kāi)關(guān)的占空比將很有限，額定輸出電壓下的最大輸出電流也會(huì )受限。ADP1621補償引腳(COMP)的有效輸入電壓范圍是0 V至2 V。 為了保證開(kāi)關(guān)占空比足夠大，建議將CS引腳電壓限制在0.1 V以下。 采用低于5 V的輸入電壓工作時(shí)，應將集電極與發(fā)射極之間的跳線(xiàn)短路，從而旁路輸入調節電阻。 對于具有-48 V輸入的電信或服務(wù)器電源等應用，應將原邊控制器的電源電壓調節到+5 V。 NPN晶體管Q2需要較高的VCE擊穿電壓，功率MOSFET Q3需要較高的VDS（100 V，VDSMAX）。 此外，RCD緩沖器電路中的二極管D2應變?yōu)?0 V反向電壓額定值。 為了降低ADP1621內部穩壓器的電流，應將R12提高到1.5 kΩ。 表2總結了針對不同輸入電壓配置而選擇的替代器件。 性能結果 圖2顯示了三種不同輸入電壓下的實(shí)測效率： 5 V、12 V和24 V。 圖2. 輸入電壓為5 V、12 V和24 V時(shí)，反激式電路輸出效率與負載電流的關(guān)系 圖3顯示了-40°C至+125°C溫度范圍內的輸出電壓。 此范圍內的總輸出電壓誤差小于±20 mV (±0.4%)。 圖3. 反激式電路輸出電壓與溫度的關(guān)系 圖4和圖5顯示了提高和降低負載電流的瞬態(tài)響應。 負載電流從100 mA提高到900 mA時(shí)，瞬態(tài)響應時(shí)間為32 μs；負載電流從900 mA提高到100 mA時(shí)，瞬態(tài)響應時(shí)間為45 μs。 EVAL-CN0342-EB1Z評估板的照片如圖6所示。 圖4. 100 mA至900 mA負載瞬態(tài)響應 圖5. 900 mA至100 mA負載瞬態(tài)響應 圖6. EVAL-CN0342-EB1Z評估板照片 電路評估與測試 該電路利用一個(gè)直流電源和一個(gè)源/測量單元進(jìn)行測試，以獲得其效率和負載調整率。 負載瞬態(tài)響應和輸出紋波利用示波器和電流探針測量。 設備要求 需要使用以下設備： ● 具有3 A電流輸出能力和電流測量功能的30 V電源 ● 具有1 A負載電流能力的源/測量單元 ● 帶寬大于300 MHz的示波器和輸入范圍大于1 A的電流探針 開(kāi)始使用 評估該電路無(wú)需軟件支持。 連接電源，輸出根據配置進(jìn)行調節。 設置與測試 將5 V電源連接到原邊輸入接頭(J4)，將地連接到J5。 將源儀表連接到副邊，J1為5 V輸出，J3為輸出地。 在J15上放置一根跳線(xiàn)，以便使用ADuM3190的內部1.225 V基準電壓源。 |
