双通道交互式PWM控制器LM5032的应用*

马川喜，王 勇

(天水华天微电子股份有限公司，甘肃天水 741000)

1 引言

单端反激式、单端正激式变换器以其结构简单、紧凑、元器件少、成本低、可靠性高等优点在开关电源得到了广泛的应用。反激式变换器，它正常工作时的最大占空比为45% ～50%，另外50% ～55%的时间是空闲的。正激式变换器，它正常工作时的最大占空比为40% ～50%，另外50% ～60%的时间是空闲的。尝试如果利用另一部分的空闲时间，一方面，利用原系统的EMC资源以及输入电路的工作间隙进一步扩大输出功率;另一方面，还可以提供另一个输出电压，以满足电子产品不同的供电电压需要。只要将一个反激式、一个正激式电路放在一起，同步同频工作，但两路的输出驱动信号相位上相差180°，或者说两条通道互相交互输出，这就是交互式单端变换的原理。笔者介绍的是一种高性能的高压输入双通道交互式电流型PWM控制器LM5032。

2 开关电源工作原理

开关电源主要由输入部分、变换器部分、输出部分、反馈部分、控制部分和辅助部分等组成，如图1所示。

(1)输入部分:主要是滤除从输入而来的杂波，干扰等。

图1 开关电源工作原理

(2)变换器部分:包含开关管、变压器、RCD吸收电路和馈电电路，这部分主要是能量的转换，把初级能量转换到次级和馈电部分。

(3)输出部分:主要是滤除杂波和平稳电压，使输出电压不至于干扰其它的设备。

(4)控制电路:首先输出PWM波，供开关管工作，其次用反馈回来的电压信号控制输出占空比，从而保证输出电压稳定，第三控制电路还具有欠压保护，过流保护，过压保护，短路自恢复等功能。控制电路包含控制芯片和外围电路。

(5)反馈电路:包含光耦隔离电路，TL431稳压电路等，主要是对输出的电路进行精调，使输出电路达到设计的要求［1］。

3 开关电源设计方案

3.1 设计要求

设计要求:

输入电压:18～36 V

输出电压:双路5V/4A，3.3V/2A

电压调整率:0.5%

电流调整率:0.5%

交叉调整率:0.5%

效率:85%

要求输出电压相互隔离。

3.2 设计方案

3.2.1 启动电路与辅助供电

图2为启动电路和辅助供电电路。电阻R1、稳压管Dz1、三极管T1、二极管 D1、C3、C4组成启动电路，变压器 B1、B2 辅助绕组经 D2、C18、R15、D3、C19、R16整流、滤波、限流给控制电路ⅠC1供电。启动后通过辅助绕组产生的自馈电给控制电路ⅠC1供电，由外部启动电路与辅助绕组供电，可以减小高压起动调节器的功耗。

图2 启动和辅助电路

3.2.2 控制电路设计

本文采用的控制芯片为LM5032，包含2个独立的电流型DC/DC所需的全部特征，每个通道都包含完整的PWM控制、电流检测输入、软启动及输出驱动信号，但两通道采用一个VCC调整器供电及欠压锁定保护，2MHz振荡器，可调最大占空比设置，打嗝式故障保护，可以外同步，反馈可与光耦直接接口，芯片内置了过热保护功能。电路如图3所示。

(1)振荡器 振荡频率设置方式为外接R6，电阻接于RT/SYNC到GND之间，R6阻值计算如下:

式中:fs为振荡器频率，单位kHz。R6的单位是kΩ。两个栅级驱动器(OUT1及OUT2)输出振荡器开关频率的一半，相位差为180°。LM5032能够应用外部同步时钟信号加到振荡器引脚，以实现多模块应用时的同步。不管是自己产生振荡，还是由外同步信号提供振荡，电阻R6必需要加上。

(2)最大占空比 最大占空比可以用RDCL来设置，从DCL端到地接一个电阻R5即可，根据下面公式:

式中:RT是振荡器频率定时电阻R6，接在RT/SYNC端。RDCL为电阻值R5必须在RT计算之后决定。

图3 控制电路

(3)软启动 每个软启动电路都允许相应的调整器去逐步地达到稳定状态工作点，以此减小启动电流的浪涌及输出的过冲。当VCC增加到超过其UVLO阈值时，SS端被释放，内部50 μA电流源给外接电容充电，每个 COMP端的电压也跟随 SS端上升，当COMP端达到1.5 V时，输出脉冲在低占空比之下出现，SS端电压连续增加，并在达到5 V时饱和，每个COMP端电压则根据调整器所需值增加，这时COMP开始由输出电压的反馈环控制，而不再受控于SS端。

(4)过热关断 LM5032工作的最高结温不能超过165℃，如果结温瞬时达到165℃，则过热关断电路被激活，VCC被禁止，驱动器关断。当结温降到145℃以下时，VCC调节器又恢复并按顺序启动。

在二层接入交换机Access端口上启用PortFast特性，一方面可以使其端口立即进入转发状态，最大限度的减少等待STP的收敛时间.另一方面可以使端口在发生UP或DOWN状态变化时，不会产生TCN BPDU消息.这一点对于大型网络来说，可以有效避免因大规模PC机开关机，造成大量TCN BPDU消息交换现象的发生.

(5)欠压锁定 LM5032包含一个线路欠压锁定电路UVLO，当系统输入电压超过设计值时能有计划地调整VCC电压和输出驱动器。UVLO的比较器的设定值是1.25 V，从电源输入端接一电阻分压器R2、R3到地分压后接到此端。当该脚电压高于设定值时电路按设计要求导通，低于设定值时，驱动器输出和VCC调整器将关闭，LM5032进入低功率模式［2］。

3.2.3 变换器电路设计

本文设计的输出为3.3 V输出由反激式变换器组成，5 V输出由正激式变换器组成。首先，确定每个PWM控制器的开关频率为300 kHz。

(1)反激式变换器设计

①最大占空比Dmax=0.4

②变压器原边绕组电流峰值Ipk

式中:η为变压器的转换效率;Po为输出功率，W;VminDC为最小输入电压，V。

③最小占空比Dmin和最大占空比Dmax

其中:K=VmaxDC/VminDC

④变压器原边电感量LP

式中:TS为开关管的周期，LP单位H。

⑤选择最小尺寸的磁芯［3］

从磁芯的数据资料表中，选择最适合的磁芯材料及形状。绕线窗口面积AC和磁芯的有效截面积Ae用下式表示:

式中:D为绝缘导线的最大直径，mm;ΔBmax为最大磁感应强度变化值，T。

⑥变压器的气隙Lg

式中:Ae为磁芯的有效截面积，cm2;ΔBmax为最大磁感应强度变化值，T;LP，H;Ipk，A;Lg，cm。

⑦变压器原边匝数NP

式中:ΔBmax单位为 T，Ae单位为 cm2;TS单位为 s。

⑧变压器副边匝数Ns

⑨功率开关管的选择

在单端反激式电源变压器电路中，开关管在截至时，其D极与S极必须承受至少两倍的输入电压，通常使用吸收回路减轻开关管的负担。开关管的最小电压应为:UDS=VmaxDC/(1-Dmax)，功率开关管在导通的峰值电流 IFM=2Po/ηVminDCDmax。

⑩整流二极管

对于单端反激式变换器电路中，整流二极管的反向截止电压值至少应等于1.2VmaxDC×Ns/Np，整流二极管必须提供的最小峰值正向电流应等于IFM=2Io/(1-Dmax)。

(2)正激式变换器设计

①最大占空比Dmax=0.6。

②初级匝数Np

式中:VminDC为施加在初级绕组上的最小输入电压，V;Tonmax为最大导通时间，μs;Ae为磁芯有效截面积，mm2;ΔBmax为最大磁感应强度变化值，T。

③次级匝数Ns

④功率开关管的选择

在单端正激式电源变压器电路中，开关管的最小电压应为:UDS=VmaxDC/(1-Dmax)，功率开关管在导通的峰值电流 IFM=6.2Po/VminDC。

⑤整流二极管和续流二极管

对于单端正激式变压器电路中，整流二极管、续流二极管的反向截止电压值至少应等于1.2 VmaxDC×Ns/Np，输出二极管的最小峰值正向电流应等于IFM=IoDmax。

4 实验结果及波形

实验具体参数如下:输入电压DC 18～36 V，输出电压DC一路5 V/4 A，另一路3.3 V/2 A，测试结果如表1所列。

表1 测试结果

图4为27 V输入3.3 V输出满载时MOSFET功率开关管驱动波形及功率开关管DS间波形。图5为27 V输入5 V输出满载时MOSFET功率开关管驱动波形及功率开关管DS间波形。图6为27 V输入3.3 V、5 V输出端的波形。

图4 3.3 V输出满载时功率开关管驱动波形及功率开关管DS间波形

图5 5 V输出满载时功率开关管驱动波形及功率开关管DS间波形

图6 3.3V及5V输出端的波形

5 结语

LM5032是一种高性能的高压输入双通道交互式电流型PWM控制器，包含两个独立的电流型DC/DC所需的全部特性，安装与调试方便、性能优良。本文使用 LM5032与基准 TLV431、TL431及光耦

PS2703-1分别构成单端反激、单端正激变换器，能较好地满足电压调整率、负载调整率、输出电压精度的要求。电流型设计能有效防止变压器的饱和，

LM5032两个输出信号互为180°交互输出，为需要双路稳定输出电源的设计提供了良好地选择，不需要两个控制芯片，不仅有效地减小输入纹波的要求，而且减少了控制电路周围的元器件，节约空间和成本。

［1］ 王 勇.开关电源自激问题的探讨［J］.电源世界，2012(12):34-37.

［2］ 杨 恒.开关电源典型设计实例精选［M］.北京:科学出版社，2007.

［3］ 戴志平.开关电源工程调试技术［M］.北京:中国电力出版社，2009.