探索 MAXREFDES112#：高效隔離式反激電源的設計與應用

在工業電源設計領域，隔離式電源供應器一直是確保系統穩定運行的關鍵組件。今天，我們將深入探討 Maxim 推出的 MAXREFDES112# 隔離式 24V 轉 12V 10W 反激電源，看看它是如何滿足工業應用的多樣化需求的。

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一、概述

Maxim 的電源專家精心設計并構建了一系列隔離式工業電源參考設計，MAXREFDES112# 便是其中之一。它能夠高效地將 24V 輸入轉換為 12V 輸出，功率可達 10W（0.8A）。該設計采用了現成的變壓器，方便工程師快速選擇合適的變壓器，同時還提供了 BOM、原理圖、布局文件和 Gerber 文件，并且可以直接購買電路板，大多數電路板還配備了通孔引腳，便于快速進行原型制作。

二、設計特點

1. 功能性絕緣：為系統提供可靠的電氣隔離，確保安全穩定運行。
2. 緊湊靈活：整個電路集成在 20.3mm（0.8in）x 59.7mm（2.35in）的電路板上，節省空間且易于集成。
3. 最少外部組件：簡化了設計，降低了成本和復雜度。
4. 惡劣工業環境下的穩健運行：能夠在復雜的工業環境中保持穩定性能。
5. 12V 800mA 輸出，20% 過流范圍：滿足一定的過載需求，增強了電源的適應性。
6. ±5% 輸出精度：保證了輸出電壓的穩定性和準確性。

三、應用領域

MAXREFDES112# 適用于多種工業和通信領域，包括工業控制與自動化、過程控制、可編程邏輯控制器（PLC）以及電信和數據通信電源等。

四、詳細設計分析

1. 核心芯片 MAX17596

MAX17596 是一款峰值電流模式控制器，用于設計寬輸入電壓反激和升壓調節器。它具有以下特點：

• 寬輸入電壓范圍：可在 17V 至 36V 的輸入電壓下工作，輸出 12V 電壓，最大電流可達 800mA（含 20% 過載）。
• 內部放大器：具有 1% 精度的參考電壓，無需外部參考，簡化了設計。
• 可編程開關頻率：開關頻率可在 100kHz 至 1MHz 之間編程，精度為 8%，本設計設定為 500kHz。對于對 EMI 敏感的應用，還支持可編程頻率抖動方案，實現低 EMI 擴頻操作。
• 輸入欠壓鎖定（EN/UVLO）：用于編程輸入電源啟動電壓（設計中設定為 17V），確保在電源欠壓時正常工作，同時也可用于開啟/關閉 IC。
• 過壓輸入（OVI）保護：當輸入電源超過最大允許值（設計中設定為 36V）時，控制器會自動關閉。
• 軟啟動功能：通過連接電容到 SS 引腳，可編程軟啟動周期，減少啟動時的輸入浪涌電流。
• 過流保護和熱關斷：采用打嗝模式過流保護和熱關斷功能，在過流和過熱故障條件下最小化功耗。

2. 電路工作原理

• 能量存儲階段：當 MOSFET 導通時，電流流經變壓器的初級繞組，將能量存儲在變壓器中。CS 引腳輸入和電流檢測電阻設置峰值電流限制，并提供過流保護。
• 能量傳輸階段：當 MOSFET 關斷時，存儲在初級側的能量轉移到次級側。次級電路由二極管和幾個輸出電容組成。當初級側的 MOSFET 關斷時，變壓器將電流推送到輸出負載，剩余能量存儲在輸出電容中；當 MOSFET 導通時，二極管防止電流回流到變壓器，并使輸出電容放電。
• 反饋網絡：采用 TL431 可編程并聯穩壓器、3000V 隔離光耦和其他 RC 組件構建，是大多數隔離式反激轉換器典型的反饋網絡。

3. 啟動電壓和輸入過壓保護設置

通過電阻分壓器將輸入直流母線電壓分壓后施加到 EN/UVLO 引腳，當 EN/UVLO 引腳電壓超過 1.21V（典型值）時，MAX17596 開始啟動操作；當電壓低于 1.15V（典型值）時，IC 關閉。同時，可通過修改電阻分壓器，添加額外電阻 (R{ovl}) 來實現過壓輸入保護。根據公式 (V{START }=(R 5+R 6+R 7) /(R 6+R 7) × 1.21( V)) 和 (V{OVI }=(R 5+R 6+R 7) / R 7 × 1.21( V)) ，可以計算出啟動直流輸入電壓 (V{START }) 和過壓輸入保護電壓 (V{OVI }) 。在本設計中，當 (R5 = 274kOmega) ，(R 6=11.3 k Omega) ，(R 7=9.76 k Omega) 時，(V{START }=16.95 V) ，(V_{OVI }=36.6 V) 。

五、快速啟動步驟

所需設備

• MAXREFDES112# 電路板
• 一個 24V 直流電源
• 一個電子負載
• 一個電壓表
• 一個電流表

操作步驟

1. 關閉電源。
2. 將電源的正極連接到 MAXREFDES112# 電路板的 VIN 引腳。
3. 將電源的負極連接到 MAXREFDES112# 電路板的 GND 引腳。
4. 將 MAXREFDES112# 電路板的 VOUT 連接器連接到電子負載的正極。
5. 將電子負載的負極連接到電流表的正極。
6. 將電流表的負極連接到 MAXREFDES112# 電路板的 GNDO 連接器。
7. 將電壓表跨接在 MAXREFDES112# 電路板的 VOUT 和 GNDO 連接器上。
8. 打開電源。
9. 將電子負載設置為 0mA 至 800mA 之間的恒定電流。
10. 驗證電壓表讀數是否為 12V ±0.6V。

六、實驗室測量結果

1. 功率效率與負載電流關系

通過測試，得到了不同輸入電壓下功率效率與負載電流的關系曲線。從曲線可以看出，在不同輸入電壓下，電源的效率隨著負載電流的增加而變化。當輸入為 24V 時，參考設計的峰值效率可達 88%。

2. 輸出紋波

在 800mA 負載、12V 輸出的情況下，輸入為 24V 時，輸出紋波（紋波 + 尖峰）為 110mV (110 mV_{P-P}) 。

3. 負載瞬態響應

• 當負載從 5mA 階躍到 320mA 再回到 5mA 時，輸出瞬態尖峰約為 240mV。
• 當負載從 480mA 階躍到 800mA 再回到 480mA 時，瞬態電壓約為 200mV。

七、不同版本及變壓器選擇

MAXREFDES112# 有多個版本，每個版本使用不同的變壓器供應商和型號，包括 Wurth 的 750315882、Sumida 的 12387T070、Hanrun 的 HR051075 和 Halo 的 TGSP - P145EP10LF，工程師可以根據實際需求選擇合適的變壓器。

綜上所述，MAXREFDES112# 是一款性能出色、設計靈活的隔離式反激電源，能夠滿足工業和通信領域的多種應用需求。你在實際設計中是否遇到過類似的電源設計挑戰呢？不妨在評論區分享你的經驗和想法。