50瓦特内部总线结构(IBA)电源
摘要
本文讨论一个12V/50W的总线转换器，它从48V总线转换得到一个稳定、高效、隔离的12V输出。用到的拓扑结构是带同步整流的单开关正激转换器。在此设计中MAX5003为PWM控制器，经优化用于48V、±5%的窄输入电压范围。
介绍
内部总线结构(IBA)包含两个功率转换级。第一级用总线转换器来获得中间总线电压。第二级用负载点(POL)转换器来将中间总线电压转换到一个或多个低的、稳定的电压，以便给邻近负载供电。在此文中，我们描述了一个12V/50W，稳定而高效的，将12V与48V总线隔离的总线转换器。
电源规范
- 输入电压：48VDC、±5%调整率
- 输出：12V，4.2A
- 最低负载：0安培
- 纹波：±1%峰峰值
- 隔离：1500VAC
- 低成本
- 效率：> 90%
- 输出应有短路及过载保护
电压转换拓扑
该设计中有多种电源转换拓扑可供选择。所选定的拓扑必须成本低且效率高。基于低成本的要求，我们只好选择直接驱动式、单开关拓扑。要实现高效的目标就需要在次级中同步整流。最适合的选择是：
- 在次级(图1)上带同步整流的单开关反激转换器
- 带初级复位线圈和次级上(图2)同步整流的单开关正激转换器
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图1. 带同步整流的反激转换器
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图2. 带复位线圈和同步整流的正激转换器
单开关反激拓扑与正激拓扑相比，有一个优势是不用输出电感。我们还必须增加额外的驱动变压器T2，和一些附加电路，用来将PWM控制器U1的初级驱动信号传递到次级。之后该信号用来在开通初级MOSFET Q1前关断次级中的同步MOSFET Q2。另外，增加Q3、Q5、C6、R3、D3及R4电路以延迟MOSFET Q1的开启，从而保证在Q1开启前次级MOSFET Q2是关断的。若没有这个电路，MOSFET Q2关闭前，变压器次级上会出现短路，导致MOSFET Q1开启时出现电流尖峰。
在单开关正激转换器拓扑中，我们需要另加一个电感，但输出电容要比反激拓扑设计中的小些。只要确保变压器T1完全复位，在开启主开关之前变压器上的电压为零，我们还可以省掉额外的驱动变压器(上面提到的T2)。
由于IBA电源具有窄输入电压范围，我们可以使工作占空比最大。MAX5003 PWM控制器将被用到下面描述的设计中。图3是实际电源的示意图。
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图3. 实际电源示意图
电源元件列表
| Designator | Qty | Description |
| C1 | 1 | Ceramic capacitor 470pF, X7R, 50V, 10% (0402) |
| TDK C1005X7R1H471K | ||
| C10 | 1 | Ceramic capacitor 0.33µF, X5R, 6.3V, 10% (0402) |
| TDK C1005X5R0J334K | ||
| C11 | 1 | Ceramic capacitor 1µF, X5R, 6.3V, 20% (0402) |
| TDK C1005X5R0J105M | ||
| C12 | 1 | Ceramic capacitor 2200pF, X7R, 50V, 10% (0402) |
| TDK C1005X7R1H222K | ||
| C13 | 1 | Ceramic capacitor 0.1µF, X5R, 25V, 20% (0603) |
| TDK C1608X7R1E104M | ||
| C14, C17 | 2 | Ceramic capacitor 0.068µF, 16V, 10% (0402) |
| TDKC1005X5R1C683Kex | ||
| C15 | 1 | Ceramic capacitor 4700pF, 250VAC, X7R (2220) |
| Murata GA355DR7GC472KY02 | ||
| C2, C3, C4 | 3 | Polymer tantalum chip capacitor 47µF, 16V, 20% |
| Kemet T520D476M016ASE070 | ||
| C5 | 1 | Ceramic capacitor 1µF, 100V, X7R, 10% (1210) |
| TDKC3225X7R2A105K | ||
| C6 | 2 | Ceramic capacitor 1µF, 16V, X7R, 20%, (0805) |
| TDKC2012X7R1C105M | ||
| C8 | 1 | SMT Electrolytic capacitor 22µF, 50V, 20% |
| Panasonic EEVFK1H220P | ||
| D1 | 1 | Zener diode 6.2V, 200mW (SOD323) |
| D2-D5, D7-D10, D12 | 9 | Switching diode 75V, 150ma (SOD323) |
| Diodes Inc 1N4148W | ||
| D11 | 1 | Silicon Epitaxial Planar Rectifier 200V, 200ma (SMINI2P) |
| Panasonic MA115 | ||
| D5 | 1 | Schottky diode 3A, 40A (SMA) |
| Diodes Inc B340A | ||
| L1 | 1 | Inductor 3.3mh |
| Coilcraft DO1608C-335 | ||
| L2 | 1 | Inductor 12µH |
| Coilcraft DO5022P-103ML | ||
| Q3 | 1 | Transistor PNP 60V SOT23 MMBT2907 |
| Diodes Inc MMBT2907 | ||
| Q4 | 1 | N channel MOSFET, 80V, 15mΩ, SO8 |
| International Rectifier IRF7493 | ||
| Q5 | 1 | N channel MOSFET 30V, 13.8mΩ, SO8 |
| International Rectifier IRF7807Z | ||
| Q7 | 1 | Nchannel MOSFET 200V, 79mΩ, SO8 |
| International Rectifier IRF7892 | ||
| Q6 | 1 | N channel MOSFET, 30V, 1.2A, SOT23 |
| Fairchild Semiconductor NDS351AN | ||
| R1 | 1 | Resistor 27k, 5% (1206) |
| R10, R20 | 2 | Resistor 20.0k, 1% (0402) |
| R11-R14 | 4 | Resistor 1Ω 5% (0603) |
| R15 | 1 | Resistor 66.5k, 1% (0402) |
| R16 | 1 | Resistor 1.24k, 1% (0402) |
| R17 | 1 | 1.24k, 1% |
| R18 | 1 | Resistor 562Ω, 1% (1206) |
| R19 | 1 | Resistor 1k, 1% (1206) |
| R21 | 1 | Resistor 100Ω, 1% (0402) |
| R22 | 1 | Resistor 60.4k, 1% (0402) |
| R23 | 1 | Resistor 0.025Ω, 1% (0805) |
| R27 | 1 | Resistor 2.32k, 1% (0402) |
| R3 | 1 | Resistor 261k, 1% (0402) |
| R4 | 1 | Resistor 5.1k, 1% (0402) |
| R5 | 1 | Resistor 490Ω, 1% (0402) |
| R6 | 1 | Resistor 221k, 1% (0402) |
| R7 | 1 | Resistor 22Ω, 1% (1206) |
| R8 | 1 | Resistor 15k, 1% (0402) |
| R9 | 1 | Resistor 453k, 1% (0805) |
| T1 | 1 | Custom transformer (EFD20-12) |
| Delta 2004D-535A | ||
| U1 | 1 | High Voltage PWM Power Supply Controller |
| MAXIM MAX5003ESE | ||
| U2, U4 | 2 | Adjustable shunt regulator SOT23-5 |
| Texas instruments TLV431IDB | ||
| U3 | 1 | SMD Optoisolator 1channel HiCTR |
| NEC PS2911-1 |
图4. 12V/4.2A (输入为48VDC)时的纹波及噪声
注意：纹波及噪声测量的带宽为20MHz。在满载及48V输入时的纹波峰-峰值为110MV。
图5. 50W输出及48VDC输入时Q7中的VDS及ID
注意：48V输入时Q7上的峰值电压为152V。这是因为复位线圈没有箝位，而是采用LC谐振对变压器进行复位，谐振电路由变压器励磁电感和Q7两端的总等效电容组成。总电容包括变压器初级电容、MOSFET Q7电容及来自Q5 (D-S)的等效电容。还要注意的是变压器电压正好在Q7开启之前达到零。缩短了二极管D5的导通时间，优化了效率。
图6. 满载及48VDC输入时Q7中的电流和Q5上的VGS。
注意：在开启Q7前，同步续流MOSFET Q5已被关断，因此可防止Q7中出现电流尖峰。电路尖峰将降低效率。
图7. 满载及48VDC时Q7中的电流和Q5上的VDS。
图8. 满载及48VDC输入时Q7中的电流和Q5上的VGS。
注意：该电源在50W、输入为48V时的测量效率为93%。电源符合设计中指定的所有要求。短路情况下，电源将进入打嗝式限流模式，在短路去除后恢复成满载状态。
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