當(dāng)輸入電壓從50V飆升到300V時，如何保持電源穩(wěn)定？本設(shè)計實例介紹一款以反激式(Flyback)拓?fù)浼軜?gòu)打造的高可靠、高效率隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器。它能處理50V至300V DC的寬輸入電壓范圍，非常適合工業(yè)、汽車或可再生能源等輸入電壓波動頻繁的應(yīng)用。
為了實現(xiàn)多輸出穩(wěn)壓，本設(shè)計特別定制了一顆多輸出反激式變壓器，能提供共用接地的5V/0.5A與3.3V/0.5A輸出，另具備一組獨立隔離的16V/0.3A輸出，可用于控制、反饋或模擬電路。
電路分析
圖1顯示整體電源的電路原理圖。雖然乍看之下電路十分復(fù)雜，但讓我一步一步地將它拆解說明。
圖1：隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器電路原理圖。
T1為UU9.8共模扼流圈，用來降低共模噪聲。F1是一顆1.5A保險絲，用于保護(hù)電路。C10用于降低輸出電壓紋波，而C11則抑制高頻噪聲。R7與R11為控制器提供啟動電流。由于高壓或高功率電阻價格昂貴，因此本設(shè)計以兩顆普通電阻串聯(lián)分壓，以分擔(dān)高輸入電壓。
RCD緩沖電路由R8、R9、R10、C12與D3組成。緩沖電路主要用于抑制因變壓器漏感所產(chǎn)生的高壓尖峰與振鈴現(xiàn)象，以保護(hù)開關(guān)MOSFET(Q1)。若緩沖電路設(shè)計得當(dāng)，亦能有效降低導(dǎo)通時的電磁輻射干擾。
IC3為OB2273 SOT23-6控制器，可以稱之為整個電路的核心。根據(jù)其資料手冊描述：“OB2273是一款高集成度的電流模式PWM控制IC，針對高性能、低待機(jī)功耗與具成本效益的離線反激式轉(zhuǎn)換器應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。其PWM開關(guān)頻率在正常工作時為內(nèi)部固定，并被調(diào)整到一個狹窄的范圍內(nèi)。在無負(fù)載或輕負(fù)載條件下，IC會進(jìn)入延伸Burst Mode以最小化開關(guān)損耗，從而達(dá)成更低的待機(jī)功耗與更高的轉(zhuǎn)換效率。OB2273具有低啟動電流與低操作電流特性，確保可靠的上電啟動與低功耗待機(jī)設(shè)計。該芯片具備完整的自動復(fù)歸保護(hù)機(jī)制，包括逐周期電流限制(OCP)、過載保護(hù)(OLP)、VDD欠壓鎖定(UVLO)，并提供鎖存關(guān)斷保護(hù)，如過溫保護(hù)(OTP)與過壓保護(hù)(OVP，可固定或可調(diào))。此外，借由On-Bright專有的頻率重排技術(shù)，EMI性能顯著提升；20kHz以下的音頻能量被最小化，工作時可消除其中的噪聲。”
由于IC3的工作電流遠(yuǎn)高于其啟動電流，因此通過變壓器的輔助繞組供電是更有效率的方式。D5負(fù)責(zé)整流輔助電壓，C19與C20則用以降低電源軌的紋波與噪聲。D6為24V穩(wěn)壓二極管，用以確保供應(yīng)電壓維持在約24V附近。若電壓高于典型值28V，控制器將啟動過壓保護(hù)機(jī)制。
R16為電流檢測電阻，用于過電流保護(hù)，例如當(dāng)輸出短路時能實時檢測。R17則用于設(shè)定控制器的開關(guān)頻率(約65kHz)。
光耦合器OP為EL817 (或XX817)，與TL431 (REF)分流穩(wěn)壓器共同構(gòu)成隔離式反饋回路。R23為微調(diào)電位器，用于補(bǔ)償變壓器繞線誤差，因為在原型階段多數(shù)人會手工繞制變壓器并進(jìn)行初步測試。
D4為SDT660VD1肖特基二極管，用于整流高頻交流(AC)電壓。C16-C17、L2與C13-C14構(gòu)成CLC (π型)濾波器，用以抑制開關(guān)噪聲。R12作為假負(fù)載(dummy load)，用于在極端情況下(如5V/3.3V輸出無負(fù)載而16V輸出全負(fù)載時)穩(wěn)定整體輸出電壓。IC2為LD1085低壓降線性穩(wěn)壓器(LDO)，提供穩(wěn)定的3.3V輸出。C15負(fù)責(zé)穩(wěn)定IC2輸出，D7則作為電源指示燈，用于顯示電源輸出狀態(tài)正常(表示電源供應(yīng)器工作良好)。
在16V輸出部分，D1為MBRD10150肖特基二極管，R5則為假負(fù)載以穩(wěn)定輸出。C4、C6與C8則用于降低輸出噪聲。IC1為MP4560降壓轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)定輸出為16V，開關(guān)頻率約為500kHz。此外，MPS DC-DC Designer為Monolithic Power Systems提供的設(shè)計與模擬工具，可用于計算與仿真MP4560等芯片的轉(zhuǎn)換特性與電路表現(xiàn)。
變壓器
本設(shè)計建議使用EE25-13-7鐵氧體磁芯，搭配5+5 (每側(cè)5個引腳)的水平線圈架。初級繞組使用0.5mm漆包線共繞制31匝。考慮氣隙大小，初級電感應(yīng)約為146μH。圖2顯示了變壓器的繞線方式與相關(guān)細(xì)節(jié)。
圖2：EE25變壓器與繞組結(jié)構(gòu)。
首先從初級繞線開始，可以順時針或逆時針繞制。初級完成后，將磁芯安裝到線圈架中，并使用LCR表測量初級電感。如果LCR表可設(shè)定測試頻率，最佳測試頻率為65kHz(即變壓器的開關(guān)頻率)；若無法設(shè)定，則可選擇40kHz作為替代。接著研磨磁芯中間(如圖3所示)，并持續(xù)測量電感值，直到達(dá)到最接近146μH的數(shù)值為止。允許存在微小誤差，這不會影響整體工作。完成后，于初級繞組外包覆2至3圈變壓器絕緣膠帶，然后再依據(jù)極性標(biāo)記完成其余三組繞線，最后組合磁芯并將變壓器焊接至PCB上。
圖3：中間帶氣隙的鐵氧體磁芯。
PCB布局
圖4顯示該電源的雙層PCB設(shè)計，包含SMD與通孔組件。部分電源模塊制造商會為了節(jié)省成本采用單層PCB，但我建議采用雙層設(shè)計，因其在電氣性能與EMI控制上有顯著優(yōu)勢。
布線重點與設(shè)計建議：
MOSFET漏極至變壓器的走線應(yīng)保持最短且最寬，以降低寄生電感。
旁路電容(C19與C20)應(yīng)盡量靠近VCC引腳放置。
緩沖(鉗位)電路應(yīng)盡可能靠近變壓器。
與Y電容相連的走線應(yīng)保持最短，以降低共模噪聲路徑。
次級側(cè)(肖特基二極管與靠近變壓器接地端的濾波電容)的回路面積應(yīng)小，避免高頻輻射。
對部分電容引腳施加熱隔離，以防止銅箔熱傳導(dǎo)導(dǎo)致電容壽命縮短。
采用大面積接地層以減少接地阻抗與噪聲。
圖4：隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器雙層PCB布局圖。
組裝
如圖5所示，PCB焊接可使用一般烙鐵完成，但若具備微型焊接臺則更為理想。焊接完成后，請使用99%異丙醇清潔焊劑殘留，特別是靠近高壓組件的區(qū)域。殘留助焊劑可能導(dǎo)致短路、異常行為或工作不穩(wěn)定。
圖5：隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器組裝完成的PCB。
測試
在測試階段，我使用自制DC電源模塊與Siglent SDL1020，測試輸出電壓與穩(wěn)壓性能，分別在輸入為50V與300V的極限條件下操作。為了產(chǎn)生所需直流(DC)輸入電壓，我利用可調(diào)交流變壓器(VARlAC)調(diào)整交流電壓，再通過橋式整流器將其轉(zhuǎn)換為DC。這樣的AC-DC轉(zhuǎn)換電路會在輸入端產(chǎn)生一定程度的紋波，有助于驗證電源對輸入噪聲的耐受性。測試結(jié)果顯示，本電源能在整個輸入范圍內(nèi)維持穩(wěn)定工作(如圖6所示)。
圖6：針對輸入電壓變化的電源穩(wěn)定性測試。
接下來的測試針對變壓器初級側(cè)的開關(guān)波形(探測點為MOSFET的漏極至接地)，主要觀察Vp-p電壓振幅以及高壓尖峰與振鈴的形狀。我使用Micsig 150MHz DP701高壓差分探頭進(jìn)行此測量。
需要特別注意的是，多數(shù)示波器并非隔離式前端，而是使用交流電源地線作為接地參考(示波器外殼與探頭接地相連)，若將探頭接地端誤接至主電源線，可能導(dǎo)致電路、示波器全數(shù)損壞甚至操作人員發(fā)生危險(如圖7所示)。在最大負(fù)載條件下測量到的波形Vp-p電壓約為540Vp-p (見圖8)。
圖7：Micsig DP701高壓差分探頭，用于觀察高壓尖峰。
接著，圖9展示了放大后的振鈴波形，用以檢查緩沖電路的抑制效果(通過調(diào)整Time/Div旋鈕觀察)。從波形可見并無明顯尖峰或高頻成分，這表示RCD緩沖電路有效地完成阻尼任務(wù)。此結(jié)果同時說明該設(shè)計在傳導(dǎo)干擾測試中也不會出現(xiàn)問題。
圖9：緩沖電路波形與振鈴(無尖銳邊緣或高頻噪聲)。
