雙通道交互式PWM控制器LM5032的應用*

馬川喜，王 勇

(天水華天微電子股份有限公司，甘肅天水 741000)

1 引言

單端反激式、單端正激式變換器以其結構簡單、緊湊、元器件少、成本低、可靠性高等優(yōu)點在開關電源得到了廣泛的應用。反激式變換器，它正常工作時的最大占空比為45% ～50%，另外50% ～55%的時間是空閑的。正激式變換器，它正常工作時的最大占空比為40% ～50%，另外50% ～60%的時間是空閑的。嘗試如果利用另一部分的空閑時間，一方面，利用原系統(tǒng)的EMC資源以及輸入電路的工作間隙進一步擴大輸出功率;另一方面，還可以提供另一個輸出電壓，以滿足電子產品不同的供電電壓需要。只要將一個反激式、一個正激式電路放在一起，同步同頻工作，但兩路的輸出驅動信號相位上相差180°，或者說兩條通道互相交互輸出，這就是交互式單端變換的原理。筆者介紹的是一種高性能的高壓輸入雙通道交互式電流型PWM控制器LM5032。

2 開關電源工作原理

開關電源主要由輸入部分、變換器部分、輸出部分、反饋部分、控制部分和輔助部分等組成，如圖1所示。

(1)輸入部分:主要是濾除從輸入而來的雜波，干擾等。

圖1 開關電源工作原理

(2)變換器部分:包含開關管、變壓器、RCD吸收電路和饋電電路，這部分主要是能量的轉換，把初級能量轉換到次級和饋電部分。

(3)輸出部分:主要是濾除雜波和平穩(wěn)電壓，使輸出電壓不至于干擾其它的設備。

(4)控制電路:首先輸出PWM波，供開關管工作，其次用反饋回來的電壓信號控制輸出占空比，從而保證輸出電壓穩(wěn)定，第三控制電路還具有欠壓保護，過流保護，過壓保護，短路自恢復等功能?？刂齐娐钒刂菩酒屯鈬娐?。

(5)反饋電路:包含光耦隔離電路，TL431穩(wěn)壓電路等，主要是對輸出的電路進行精調，使輸出電路達到設計的要求［1］。

3 開關電源設計方案

3.1 設計要求

設計要求:

輸入電壓:18～36 V

輸出電壓:雙路5V/4A，3.3V/2A

電壓調整率:0.5%

電流調整率:0.5%

交叉調整率:0.5%

效率:85%

要求輸出電壓相互隔離。

3.2 設計方案

3.2.1 啟動電路與輔助供電

圖2為啟動電路和輔助供電電路。電阻R1、穩(wěn)壓管Dz1、三極管T1、二極管 D1、C3、C4組成啟動電路，變壓器 B1、B2 輔助繞組經 D2、C18、R15、D3、C19、R16整流、濾波、限流給控制電路ⅠC1供電。啟動后通過輔助繞組產生的自饋電給控制電路ⅠC1供電，由外部啟動電路與輔助繞組供電，可以減小高壓起動調節(jié)器的功耗。

圖2 啟動和輔助電路

3.2.2 控制電路設計

本文采用的控制芯片為LM5032，包含2個獨立的電流型DC/DC所需的全部特征，每個通道都包含完整的PWM控制、電流檢測輸入、軟啟動及輸出驅動信號，但兩通道采用一個VCC調整器供電及欠壓鎖定保護，2MHz振蕩器，可調最大占空比設置，打嗝式故障保護，可以外同步，反饋可與光耦直接接口，芯片內置了過熱保護功能。電路如圖3所示。

(1)振蕩器 振蕩頻率設置方式為外接R6，電阻接于RT/SYNC到GND之間，R6阻值計算如下:

式中:fs為振蕩器頻率，單位kHz。R6的單位是kΩ。兩個柵級驅動器(OUT1及OUT2)輸出振蕩器開關頻率的一半，相位差為180°。LM5032能夠應用外部同步時鐘信號加到振蕩器引腳，以實現(xiàn)多模塊應用時的同步。不管是自己產生振蕩，還是由外同步信號提供振蕩，電阻R6必需要加上。

(2)最大占空比 最大占空比可以用RDCL來設置，從DCL端到地接一個電阻R5即可，根據(jù)下面公式:

式中:RT是振蕩器頻率定時電阻R6，接在RT/SYNC端。RDCL為電阻值R5必須在RT計算之后決定。

圖3 控制電路

(3)軟啟動 每個軟啟動電路都允許相應的調整器去逐步地達到穩(wěn)定狀態(tài)工作點，以此減小啟動電流的浪涌及輸出的過沖。當VCC增加到超過其UVLO閾值時，SS端被釋放，內部50 μA電流源給外接電容充電，每個 COMP端的電壓也跟隨 SS端上升，當COMP端達到1.5 V時，輸出脈沖在低占空比之下出現(xiàn)，SS端電壓連續(xù)增加，并在達到5 V時飽和，每個COMP端電壓則根據(jù)調整器所需值增加，這時COMP開始由輸出電壓的反饋環(huán)控制，而不再受控于SS端。

(4)過熱關斷 LM5032工作的最高結溫不能超過165℃，如果結溫瞬時達到165℃，則過熱關斷電路被激活，VCC被禁止，驅動器關斷。當結溫降到145℃以下時，VCC調節(jié)器又恢復并按順序啟動。

在二層接入交換機Access端口上啟用PortFast特性，一方面可以使其端口立即進入轉發(fā)狀態(tài)，最大限度的減少等待STP的收斂時間.另一方面可以使端口在發(fā)生UP或DOWN狀態(tài)變化時，不會產生TCN BPDU消息.這一點對于大型網絡來說，可以有效避免因大規(guī)模PC機開關機，造成大量TCN BPDU消息交換現(xiàn)象的發(fā)生.

(5)欠壓鎖定 LM5032包含一個線路欠壓鎖定電路UVLO，當系統(tǒng)輸入電壓超過設計值時能有計劃地調整VCC電壓和輸出驅動器。UVLO的比較器的設定值是1.25 V，從電源輸入端接一電阻分壓器R2、R3到地分壓后接到此端。當該腳電壓高于設定值時電路按設計要求導通，低于設定值時，驅動器輸出和VCC調整器將關閉，LM5032進入低功率模式［2］。

3.2.3 變換器電路設計

本文設計的輸出為3.3 V輸出由反激式變換器組成，5 V輸出由正激式變換器組成。首先，確定每個PWM控制器的開關頻率為300 kHz。

(1)反激式變換器設計

①最大占空比Dmax=0.4

②變壓器原邊繞組電流峰值Ipk

式中:η為變壓器的轉換效率;Po為輸出功率，W;VminDC為最小輸入電壓，V。

③最小占空比Dmin和最大占空比Dmax

其中:K=VmaxDC/VminDC

④變壓器原邊電感量LP

式中:TS為開關管的周期，LP單位H。

⑤選擇最小尺寸的磁芯［3］

從磁芯的數(shù)據(jù)資料表中，選擇最適合的磁芯材料及形狀。繞線窗口面積AC和磁芯的有效截面積Ae用下式表示:

式中:D為絕緣導線的最大直徑，mm;ΔBmax為最大磁感應強度變化值，T。

⑥變壓器的氣隙Lg

式中:Ae為磁芯的有效截面積，cm2;ΔBmax為最大磁感應強度變化值，T;LP，H;Ipk，A;Lg，cm。

⑦變壓器原邊匝數(shù)NP

式中:ΔBmax單位為 T，Ae單位為 cm2;TS單位為 s。

⑧變壓器副邊匝數(shù)Ns

⑨功率開關管的選擇

在單端反激式電源變壓器電路中，開關管在截至時，其D極與S極必須承受至少兩倍的輸入電壓，通常使用吸收回路減輕開關管的負擔。開關管的最小電壓應為:UDS=VmaxDC/(1-Dmax)，功率開關管在導通的峰值電流 IFM=2Po/ηVminDCDmax。

⑩整流二極管

對于單端反激式變換器電路中，整流二極管的反向截止電壓值至少應等于1.2VmaxDC×Ns/Np，整流二極管必須提供的最小峰值正向電流應等于IFM=2Io/(1-Dmax)。

(2)正激式變換器設計

①最大占空比Dmax=0.6。

②初級匝數(shù)Np

式中:VminDC為施加在初級繞組上的最小輸入電壓，V;Tonmax為最大導通時間，μs;Ae為磁芯有效截面積，mm2;ΔBmax為最大磁感應強度變化值，T。

③次級匝數(shù)Ns

④功率開關管的選擇

在單端正激式電源變壓器電路中，開關管的最小電壓應為:UDS=VmaxDC/(1-Dmax)，功率開關管在導通的峰值電流 IFM=6.2Po/VminDC。

⑤整流二極管和續(xù)流二極管

對于單端正激式變壓器電路中，整流二極管、續(xù)流二極管的反向截止電壓值至少應等于1.2 VmaxDC×Ns/Np，輸出二極管的最小峰值正向電流應等于IFM=IoDmax。

4 實驗結果及波形

實驗具體參數(shù)如下:輸入電壓DC 18～36 V，輸出電壓DC一路5 V/4 A，另一路3.3 V/2 A，測試結果如表1所列。

表1 測試結果

圖4為27 V輸入3.3 V輸出滿載時MOSFET功率開關管驅動波形及功率開關管DS間波形。圖5為27 V輸入5 V輸出滿載時MOSFET功率開關管驅動波形及功率開關管DS間波形。圖6為27 V輸入3.3 V、5 V輸出端的波形。

圖4 3.3 V輸出滿載時功率開關管驅動波形及功率開關管DS間波形

圖5 5 V輸出滿載時功率開關管驅動波形及功率開關管DS間波形

圖6 3.3V及5V輸出端的波形

5 結語

LM5032是一種高性能的高壓輸入雙通道交互式電流型PWM控制器，包含兩個獨立的電流型DC/DC所需的全部特性，安裝與調試方便、性能優(yōu)良。本文使用 LM5032與基準 TLV431、TL431及光耦

PS2703-1分別構成單端反激、單端正激變換器，能較好地滿足電壓調整率、負載調整率、輸出電壓精度的要求。電流型設計能有效防止變壓器的飽和，

LM5032兩個輸出信號互為180°交互輸出，為需要雙路穩(wěn)定輸出電源的設計提供了良好地選擇，不需要兩個控制芯片，不僅有效地減小輸入紋波的要求，而且減少了控制電路周圍的元器件，節(jié)約空間和成本。

［1］ 王 勇.開關電源自激問題的探討［J］.電源世界，2012(12):34-37.

［2］ 楊 恒.開關電源典型設計實例精選［M］.北京:科學出版社，2007.

［3］ 戴志平.開關電源工程調試技術［M］.北京:中國電力出版社，2009.