探索MAXREFDES113#：高效隔离电源设计方案

引言

在工业和电子设备中，可靠的电源供应是至关重要的。隔离电源能够提供稳定的电压输出，满足各种应用的需求。今天，我们将深入探讨Maxim公司的MAXREFDES113#，这是一款高效的隔离式24V转12V 20W电源参考设计，具有诸多出色的特性和广泛的应用前景。

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设计概述

Maxim的电源专家设计并构建了一系列隔离式工业电源参考设计，MAXREFDES113#便是其中之一。它采用高效的反激式拓扑结构，输入电压范围为17V至36V，输出为12V、20W（1.6A）的功率。该设计使用了MAX17596峰值电流模式转换器，具有灵活的开关频率，整个电路集成在一块20mm × 35mm的电路板上。

主要特性

• 功能绝缘：具备功能绝缘特性，确保电源的安全性和可靠性。
• 紧凑灵活：体积小巧，设计灵活，适用于各种空间受限的应用场景。
• 外部组件少：仅需少量外部组件，简化了电路设计和布局。
• 恶劣环境适应性强：能够在恶劣环境下稳定运行，保证电源的可靠性。
• 过流能力：输出电流可达1.6A，并具备20%的过流范围。
• 输出精度高：输出精度控制在±5%以内，提供稳定的电压输出。

应用领域

• 工业控制与自动化：为工业控制系统提供稳定的电源支持。
• 过程控制：满足过程控制设备对电源的严格要求。
• 可编程逻辑控制器（PLC）：为PLC提供可靠的电源，确保其正常运行。
• 电信和数据通信电源：适用于电信和数据通信设备的电源供应。

详细设计解析

变压器选择

变压器的选择通常是隔离电源设计中最具挑战性的环节。MAXREFDES113#设计中，已经对多种变压器进行了验证，包括Halo Electronics TGSPP153EP13LF、Wurth Electronics 750316112r01、HanRun HR051441和Sumida 13324 - T115，大大简化了变压器的选择过程。

MAX17596控制器

MAX17596是一款用于宽输入电压反激和升压调节器设计的峰值电流模式控制器。它具有以下特点：

• 内部放大器：内置1%精度的参考放大器，无需外部参考。
• 可编程开关频率：开关频率可在100kHz至1MHz之间编程，精度为8%，有助于优化磁性和滤波组件，实现紧凑且经济高效的电源转换。本设计中开关频率设置为200kHz。
• 频率抖动方案：对于对电磁干扰（EMI）敏感的应用，MAX17596集成了可编程频率抖动方案，实现低EMI扩频操作。

保护功能

• 输入欠压锁定（EN/UVLO）：用于编程输入电源启动电压（设计中设置为17V），确保在电源欠压时正常工作。EN/UVLO输入还可用于开启/关闭IC。
• 过压输入保护（OVI）：当输入电源超过允许的最大值（设计中设置为36V）时，控制器会自动关闭。只有当OVI引脚电压低于1.15V（典型值）时，开关操作才会以软启动模式恢复。
• 软启动：通过连接电容到SS引脚来编程软启动时间，减少启动时的输入浪涌电流。
• 过流保护和热关断：采用打嗝模式过流保护和热关断功能，在过流和过热故障条件下将功耗降至最低。

电路工作原理

当MOSFET导通时，电流流经变压器的初级绕组，存储能量。CS引脚输入和电流检测电阻设置峰值电流限制并提供过流保护。当MOSFET关断时，初级侧存储的能量转移到次级侧。次级电路由二极管和几个输出电容组成。当初级侧MOSFET关断时，变压器将电流推送到输出负载，剩余能量存储在输出电容中；当MOSFET导通时，二极管防止电流回流到变压器，并使输出电容放电。反馈网络采用TL431可编程分流调节器、3000V隔离光耦和其他RC组件构建，是大多数隔离反激式转换器的典型结构。

启动电压和输入过压保护设置

MAX17596的EN/UVLO引脚既作为使能/禁用输入，又作为精确可编程欠压锁定（UVLO）引脚。只有当EN/UVLO引脚电压超过1.21V（典型值）时，MAX17596才开始启动操作；当EN/UVLO引脚电压低于1.15V（典型值）时，MAX17596关闭。可以使用从输入直流母线到地的电阻分压器将输入直流电压的一部分分压并施加到EN/UVLO引脚。通过选择合适的电阻分压器值，可以使EN/UVLO引脚电压在所需的输入直流母线电压下超过1.21V（典型值）的开启阈值。此外，通过添加额外的电阻 (R{ovt}) 可以在EN/UVLO功能的基础上实现过压输入保护。当OVI引脚电压超过1.21V（典型值）时，MAX17596停止开关操作；只有当OVI引脚电压低于1.15V（典型值）时，开关操作才会以软启动模式恢复。对于预期的启动直流输入电压 (V{START}) 和过压输入保护电压 (V{OVI}) ，可以使用以下公式计算电阻分压器的值： [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，当 (R 5 = 280 k Omega) ， (R 6 = 13 k Omega) ， (R 7 = 10 k Omega) 时， (V{START } = 15.94 V) ， (V_{OVI } = 36.66 V) 。

快速启动指南

所需设备

• MAXREFDES113#电路板
• 一个24V直流电源
• 一个电子负载
• 一个电压表
• 一个电流表

操作步骤

1. 关闭电源。
2. 将电源的正极连接到MAXREFDES113#电路板的 (V_{IN}) 引脚。
3. 将电源的负极连接到MAXREFDES113#电路板的PGND引脚。
4. 将MAXREFDES113#电路板的 (V_{OUT}) 连接器连接到电子负载的正极。
5. 将电子负载的负极连接到电流表的正极。
6. 将电流表的负极连接到MAXREFDES113#电路板的GNDO连接器。
7. 将电压表跨接在MAXREFDES113#电路板的 (V_{OUT}) 和GNDO连接器上。
8. 打开电源。
9. 将电子负载设置为0mA至1.6A之间的恒定电流。
10. 验证电压表读数是否为12V ±0.6V。

实验室测量结果

功率效率与负载电流关系

通过实验测量，得到了不同输入电压下功率效率与负载电流的关系曲线。从曲线中可以看出，在输入为24V时，参考设计的峰值效率可达87%。这表明该电源设计在不同负载条件下都能保持较高的效率。

输出纹波

在输入为24V、负载为800mA时，测量得到输出纹波的峰 - 峰值为148mV。这一结果显示了电源输出的稳定性。

负载瞬态响应

通过测试负载从5mA到640mA以及从960mA到1600mA的阶跃变化，观察到电源能够快速响应负载变化，输出电压的波动在可接受范围内，保证了电源在动态负载下的稳定性。

订购信息

MAXREFDES113#有不同的型号可供选择，每个型号配备不同供应商的变压器，具体信息如下：	产品编号	变压器供应商	变压器型号
MAXREFDES113A#	Wurth	750316112r01
MAXREFDES113B#	Sumida	13324 - T115
MAXREFDES113C#	Hanrun	HR051441
MAXREFDES113D#	Halo	TGSP - P153EP13LF

总结

MAXREFDES113#是一款性能出色的隔离式电源参考设计，具有高效、紧凑、灵活等优点。它在变压器选择、控制器特性、保护功能等方面都进行了精心设计，能够满足多种工业和电子应用的需求。通过实验室测量结果可以看出，该设计在功率效率、输出纹波和负载瞬态响应等方面都表现优异。对于电子工程师来说，MAXREFDES113#是一个值得考虑的电源设计方案。你在实际应用中是否遇到过类似的电源设计问题？你认为MAXREFDES113#在哪些方面还可以进一步优化？欢迎在评论区分享你的观点。