探索MAXREFDES113#：高效隔離電源設計方案

引言

在工業和電子設備中，可靠的電源供應是至關重要的。隔離電源能夠提供穩定的電壓輸出，滿足各種應用的需求。今天，我們將深入探討Maxim公司的MAXREFDES113#，這是一款高效的隔離式24V轉12V 20W電源參考設計，具有諸多出色的特性和廣泛的應用前景。

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設計概述

Maxim的電源專家設計并構建了一系列隔離式工業電源參考設計，MAXREFDES113#便是其中之一。它采用高效的反激式拓撲結構，輸入電壓范圍為17V至36V，輸出為12V、20W（1.6A）的功率。該設計使用了MAX17596峰值電流模式轉換器，具有靈活的開關頻率，整個電路集成在一塊20mm × 35mm的電路板上。

主要特性

• 功能絕緣：具備功能絕緣特性，確保電源的安全性和可靠性。
• 緊湊靈活：體積小巧，設計靈活，適用于各種空間受限的應用場景。
• 外部組件少：僅需少量外部組件，簡化了電路設計和布局。
• 惡劣環境適應性強：能夠在惡劣環境下穩定運行，保證電源的可靠性。
• 過流能力：輸出電流可達1.6A，并具備20%的過流范圍。
• 輸出精度高：輸出精度控制在±5%以內，提供穩定的電壓輸出。

應用領域

• 工業控制與自動化：為工業控制系統提供穩定的電源支持。
• 過程控制：滿足過程控制設備對電源的嚴格要求。
• 可編程邏輯控制器（PLC）：為PLC提供可靠的電源，確保其正常運行。
• 電信和數據通信電源：適用于電信和數據通信設備的電源供應。

詳細設計解析

變壓器選擇

變壓器的選擇通常是隔離電源設計中最具挑戰性的環節。MAXREFDES113#設計中，已經對多種變壓器進行了驗證，包括Halo Electronics TGSPP153EP13LF、Wurth Electronics 750316112r01、HanRun HR051441和Sumida 13324 - T115，大大簡化了變壓器的選擇過程。

MAX17596控制器

MAX17596是一款用于寬輸入電壓反激和升壓調節器設計的峰值電流模式控制器。它具有以下特點：

• 內部放大器：內置1%精度的參考放大器，無需外部參考。
• 可編程開關頻率：開關頻率可在100kHz至1MHz之間編程，精度為8%，有助于優化磁性和濾波組件，實現緊湊且經濟高效的電源轉換。本設計中開關頻率設置為200kHz。
• 頻率抖動方案：對于對電磁干擾（EMI）敏感的應用，MAX17596集成了可編程頻率抖動方案，實現低EMI擴頻操作。

保護功能

• 輸入欠壓鎖定（EN/UVLO）：用于編程輸入電源啟動電壓（設計中設置為17V），確保在電源欠壓時正常工作。EN/UVLO輸入還可用于開啟/關閉IC。
• 過壓輸入保護（OVI）：當輸入電源超過允許的最大值（設計中設置為36V）時，控制器會自動關閉。只有當OVI引腳電壓低于1.15V（典型值）時，開關操作才會以軟啟動模式恢復。
• 軟啟動：通過連接電容到SS引腳來編程軟啟動時間，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將功耗降至最低。

電路工作原理

當MOSFET導通時，電流流經變壓器的初級繞組，存儲能量。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。當MOSFET關斷時，初級側存儲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可編程分流調節器、3000V隔離光耦和其他RC組件構建，是大多數隔離反激式轉換器的典型結構。

啟動電壓和輸入過壓保護設置

MAX17596的EN/UVLO引腳既作為使能/禁用輸入，又作為精確可編程欠壓鎖定（UVLO）引腳。只有當EN/UVLO引腳電壓超過1.21V（典型值）時，MAX17596才開始啟動操作；當EN/UVLO引腳電壓低于1.15V（典型值）時，MAX17596關閉。可以使用從輸入直流母線到地的電阻分壓器將輸入直流電壓的一部分分壓并施加到EN/UVLO引腳。通過選擇合適的電阻分壓器值，可以使EN/UVLO引腳電壓在所需的輸入直流母線電壓下超過1.21V（典型值）的開啟閾值。此外，通過添加額外的電阻 (R{ovt}) 可以在EN/UVLO功能的基礎上實現過壓輸入保護。當OVI引腳電壓超過1.21V（典型值）時，MAX17596停止開關操作；只有當OVI引腳電壓低于1.15V（典型值）時，開關操作才會以軟啟動模式恢復。對于預期的啟動直流輸入電壓 (V{START}) 和過壓輸入保護電壓 (V{OVI}) ，可以使用以下公式計算電阻分壓器的值： [V{START }=(R 5+R 6+R 7) /(R 6+R 7) × 1.21( V)] [V{OVI }=(R 5+R 6+R 7) / R 7 × 1.21( V)] 例如，當 (R 5 = 280 k Omega) ， (R 6 = 13 k Omega) ， (R 7 = 10 k Omega) 時， (V{START } = 15.94 V) ， (V_{OVI } = 36.66 V) 。

快速啟動指南

所需設備

• MAXREFDES113#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MAXREFDES113#電路板的 (V_{IN}) 引腳。
3. 將電源的負極連接到MAXREFDES113#電路板的PGND引腳。
4. 將MAXREFDES113#電路板的 (V_{OUT}) 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MAXREFDES113#電路板的GNDO連接器。
7. 將電壓表跨接在MAXREFDES113#電路板的 (V_{OUT}) 和GNDO連接器上。
8. 打開電源。
9. 將電子負載設置為0mA至1.6A之間的恒定電流。
10. 驗證電壓表讀數是否為12V ±0.6V。

實驗室測量結果

功率效率與負載電流關系

通過實驗測量，得到了不同輸入電壓下功率效率與負載電流的關系曲線。從曲線中可以看出，在輸入為24V時，參考設計的峰值效率可達87%。這表明該電源設計在不同負載條件下都能保持較高的效率。

輸出紋波

在輸入為24V、負載為800mA時，測量得到輸出紋波的峰 - 峰值為148mV。這一結果顯示了電源輸出的穩定性。

負載瞬態響應

通過測試負載從5mA到640mA以及從960mA到1600mA的階躍變化，觀察到電源能夠快速響應負載變化，輸出電壓的波動在可接受范圍內，保證了電源在動態負載下的穩定性。

訂購信息

總結

MAXREFDES113#是一款性能出色的隔離式電源參考設計，具有高效、緊湊、靈活等優點。它在變壓器選擇、控制器特性、保護功能等方面都進行了精心設計，能夠滿足多種工業和電子應用的需求。通過實驗室測量結果可以看出，該設計在功率效率、輸出紋波和負載瞬態響應等方面都表現優異。對于電子工程師來說，MAXREFDES113#是一個值得考慮的電源設計方案。你在實際應用中是否遇到過類似的電源設計問題？你認為MAXREFDES113#在哪些方面還可以進一步優化？歡迎在評論區分享你的觀點。