有源箝位模块电源设计

1 引言  

当今，由于模块电源具有体积小、效率高、可靠性高、使用方便等优点，已广泛使用于航空航天、机车舰船、军工兵器、邮电通信、和科研实验等社会生产和生活的各个领域，尤其是在高可靠和高技术领域发挥着不可替代的重要作用。中小功率的模块电源一般使用单端正激电路，然而由于其磁特性工作在第一象限，并且是硬开关工作模式，决定了该电路存在一些固有的缺陷：变压器体积大，损耗大；开关器件电压应力高，开关损耗大；dv/dt和di/dt大，EMI问题难以处理。 为了克服这些缺陷，文献[1]提出了有源钳箝位正激变换器拓扑，从根本上改变了单端正激变换器的运行特性，并且能够实现零电压软开关工作模式，从而大量地减少了开关器件和变压器的功耗，降低了dv/dt和di/dt，改善了电磁兼容性。因此，有源钳位正激变换器拓扑迅速获得了广泛的应用。  

2 主电路工作原理  

有源箝位电路通常由有源器件(或称箝位开关)和箝位电容串联而成，并联在主管或变压器原边绕组两端。在主功率开关管关断期间，由箝位电容将主开关管两端电压嵌位在一定数值水平上，基本保持不变，使主开关管避免承受过高的电压。  

在正激变流器中采用有源箝位技术，即有源嵌位正激电路，还可以实现变压器磁芯磁通的自动复位，无需另加复位措施；并可使激磁电流沿正反方向流通，使磁芯可以在磁化曲线的第一和第三象限运行，提高了磁芯的利用率。同时，该复位技术和其他复位方式相比，电路还具有如下两个优点:  

（1）由于它的复位电压可以自动调节，所以占空比可以大于50%，非常适合Brike DC/DC的宽范围要求；  

（2）正激有源箝位电路变压器上是完整的方波，能很自然的给副边两个同步整流管提供简单有效的自驱动的方案。  

本文采用的电路拓扑如图1所示，增加了辅助开关Sa（带反并二极管）和储能电容Cs，以及谐振电容Cds1、Cds2，且略去了传统正激变换器的磁恢复电路。开关S和Sa工作在互补状态。为了防止开关S和Sa共态导通，两开关的驱动信号间留有一定的死区时间。由于变压器上为完整的方波，副边两个同步整流管采用变压器自驱动方案。  



3 控制芯片选择  

LM5025是一款有源钳位专用的PWM变换器，其内部驱动器可驱动P沟道或N沟道钳位开关。LM5025有两路控制输出：主功率驱动(OUT_A)输出和有源钳位驱动(OUT_B)输出。有源钳位输出可以设定重叠时间（P沟道开关管）或死区时间（N沟道开关管）。两路驱动输出具有良好的驱动性能，即可驱动MOS管，也可驱动双极晶体管。除此以外，还有以下优点：  

（1）高压启动稳压器  

LM5025内部有一个高电压启动稳压器，允许VIN直接连接输入电压。稳压器最大输出电流为20mA。VCC端电压达到7.6V，内部5V基准电压建立，控制器开始工作。当VCC低于6.2V或在输入欠压锁定状态时，控制器关断。在典型应用中，辅助绕组通过二极管连接到VCC端，该绕组必须使VCC电压高于8V，以关断内部启动稳压器。用辅助绕组给VCC供电，不仅提高了效率，而且降低了控制器的损耗。  



（2）输入欠压保护  

LM5025内置输入欠压锁定电路。在VIN和GND之间外接分压电阻，可设定变换器的工作范围。分压电阻必须确保当VIN在工作范围内时，UVLO的电压值大于2.5V。如果VIN低于欠压门限，控制器的所有功能将关断，并进入低功耗待机状态。UVLO的滞环通过内部20μA电流源实现。UVLO端也可以用来实现外部关断，将UVLO端的电压拉至小于2.5V的门限时，变换器关断。  



（3）过流保护  

LM5025有两种过流保护：一种是CS1的采样电压大于0.25V时，逐脉冲限流模式；另一种是CS2的采样电压大于0.25V时，控制器进行打嗝式限流保护。此时控制器关断输出，先对软启动电容放电并将软启动电流源降到1μA，软启动电容完全放电后，再由1μA的电流源缓慢充电。当SS端电压接近1V时，PWM比较器在OUT_A产生第一个脉冲，软启动电流源恢复到20μA。  



（4）热保护  

LM5025内置热关断电路，保护芯片不超过最大结温。热保护典型值是165℃，控制器进入待机状态，输出驱动和输入偏置稳压器都不工作。热滞后25℃之后，变换器重新软启动。  

以LM2025为核心的有缘钳位变换器，具有完善的保护功能、稳定的性能和较低的成本，在电源的设计中得到广泛的使用。  

4 实验结果分析  

实验模块的主功率拓扑采用有源箝位正激变换器电路，该拓扑的变压器复位方式可进一步提高变换器效率，控制电路芯片选用LM5025。变换器输入电压为18V～36V，输出电压为5V，输出电流为10A。标准24V输入，输出满载时效率达到92%。图2为主开关管和箝位管驱动信号波形。由图中可以看出，主路开关管开通和有源钳位管开通之间加入一个死区，以避免两个开关管同时导通。图3为主开关管的VDS波形。由图中可以看出，主开关管两端的电压被钳位在40V左右，降低了开关管的损耗，提高了效率。图4为输出端整流管和续流管的驱动波形。由于变压器上为完整的方波，而副边同步整流管采用的变压器自驱动，故其驱动波形也近似为方波，幅值与变压器的变比和输出电压有关。  

5 结论  

有源钳位电路除具有效率高、磁芯自恢复等优点，还因为变压器上的波形为完整的方波，同步整流可以采用变压器自驱动，因而广泛使用于中小功率的DC/DC变换器电源设计。本文在对有源钳位正激电路分析的基础上，设计了一款 18V"36V输入，输出5V/10A的军用模块电源。实验结果证实了有源钳位正激电路的优越性。