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12V转5V/150mA隔离反激电源电路设计与实物调试

百科   2025-01-09 11:39   广东  
目录

  • 一、基本设想

  • 二、芯片选型

  • 1.隔离DC-DC部分

  • 2.LDO部分

  • 三、 电路设计与实物调试

  • A.第一版

  • B.第二版

  • C.第三版

  • D.第四版


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进行了四版隔离电源设计，身为硬件小白的本人总结了一些失败的经验，希望能给正在进行隔离电源设计的同行们一些启发和灵感，帮助各位避坑；且希望有隔离电源设计经验的同行，能给出一些建议亦或是批评和指正。

一、基本设想

此电源的基本设想是先用12V转12V的隔离DC-DC电源芯片和电源变压器/耦合电感转出12V隔离电压，再用LDO将前一级的12V输出降低至5V。
图1-1 电源设计框图

二、芯片选型

1.隔离DC-DC部分

对于隔离DC-DC部分，本设计选择LT8301，其输入电压范围为2.7V-42V，最小开关频率为10kHz，最多可提供6W的隔离输出功率，可以通过单个外部电阻设置输出电压Vout。
图2-1 电路设计参考图
图2-2-1 求变压器匝数比
将VIN(MIN)=5V，VIN(NOR)=12V， VIN(MAX)=32V，VOUT=12V，（设IOUT=500mA）代入上式可得，NPS<1.46，但所以只能选择1:1的变压器。
图2-2-2-a 确定原边电感
将参数继续带入，求得第一个LPRI≥19.09uH，第二个LPRI≥18.76 uH，一般选择变压器电感比上述计算值大30%，所以选择原边电感为24.82uH（25uH）。选择上海立凯电控的LT45-200，其原、副边电感值为20uH，其实此耦合电感不太合适。
原边电感确定好后，计算占空比：
D=(VOUT+VF)*NPS/[(VOUT+VF)*NPS+VIN]
=(12+0.3)*1/[(12+0.3)*1+12]
≈0.51
再利用以下两个公式确定最大负载（最大电流）和最大负载情况下的开关频率（效率定为85%）：
图2-2-2-b 确定最大负载电流和开关频率
由芯片手册可得：ISW=0.58A，fSW=523.63kHz。

图2-2-3 确定输出二极管
IDIODE(MAX)=1.375A，VREVERSE=44V，所以选择PMEG2020EH, 115作为输出二极管，此选择不太合适，其平均整流电流和直流反向耐压分别为2A、20V。
图2-2-4 确定输出电容
取纹波为1%的VOUT，则COUT=[20▪10(-6)▪(0.512)]/(2▪12▪0.12)≈1.81uF，由于在长期使用时，电容容值会下降，因此选取输出电容封装为C0603，容值为4.7uF的陶瓷电容。

图2-2-5 确定输出电容
VZENER(MAX)≤33V，VREVERSE=44V ，选取VREVERSE(MAX)=33V，则VSW(MAX)为65V，所以VREVERSE>65V。因此选择齐纳二极管为稳压值为24V，功耗500mW的MMSZ5252A；开关二极管为平均反向耐压为75V，平均整流电流为250mA的1N4448W。
图2-2-6 确定反馈电阻
RFB=123k。
图2-2-7 确定使能电阻
选择VIN(HYS)=2V的迟滞，则R1=800k；将VINUVLO上升阈值设置为7.5V，则VIN(UVLO+)、 VIN(UVLO-)分别为7.5V、5.5V，因此R2≈233.35≈234k。但在实际过程中没有R1、R2这样合适的电阻，所以就选了R1:R2≈4:1的电阻（R1≈20k，R2≈5k）。
图2-2-8 确定最小负载
ILOAD(MIN)=20uH▪(360mA)2▪10.6kHz/[2▪12V]≈2.75mA，因此选择最小负载电流为3mA，则最大负载电阻为12V/3mA≈4k，所以负载应该小于4k，但在实际设计过程中，并没有考虑负载的问题。

2.LDO部分

对于隔离LDO部分，本设计选择TPS70950DBVR，其输入电压范围为2.7V-30V，输出电压范围为1.2V-6.5V，输出电流为150mA，具有过热关断保护和过流保护功能，具有1uA的超低静态电流。
图2-3 LDO参考接线图
在原理图中，由于为了达到更好地降低纹波效果，使用47uF的输出电容，但在实际应用中，使用了10uF的输出电容。

三、 电路设计与实物调试

A.第一版

图3-1 第一版原理图
图3-2 第一版PCB和实物图
图3-2从上到下分别为第一版电源的3DPCB图、2DPCB图和实物图。调试结果：LDO的空载最大输出不超过3V，第一版方案宣告失败。

B.第二版

第二版相较于第一版，将R1、R2两个使能电阻全部删除，直接给DC芯片的EN/ULVO引脚供12V电压（如图3-3中的绿线所示）；将C3、C4、C5全部换成4.7uF；将变压器（耦合电感）换成线艺的LPD5030V-154MRC，此款耦合电感拥有150uH的原、副边电感值；将电感后的LED和与其串联的电阻R4也删除；将分压电阻R5、R6也删除，用黄线按照原规则将其焊盘连接（如图3-3中的黄线所示）。
图3-3 第二版实物图
第二版的测试结果如下：
表3-1 第二版测试表

从上述表格中可以看出，虽然此电源的带负载能力达不到5V/150mA≈33R，但其纹波也很小，可以正常带动IC。

C.第三版

第三版在第二版的基础上，将与LED串联的200R替换成330R。
图3-4 第一版原理图
表3-5 第三版PCB和实物图
第三版的测试结果如下：
表3-2 第三版测试表
从表3-2可以看出，第三版电源的纹波有问题，在抓了各个波形之后，发现并不一直是这么大的峰-峰值，稳定时纹波很小，但在某个时间点，会突然出现类似于“振铃”的现象，感觉不像是纹波。以下是用示波器抓的电源带不同负载时的波形：
图3-6-1 平稳时期波形
图3-6-2 空载波形
图3-6-3 75R波形
图3-6-4 100R波形
图3-6-5 IC波形
图3-6-6 200R波形
图3-6-7 1k波形
尝试解决振铃问题方法：将电感按照第二版的方式，用线焊上，即增加电感原、副边之间的隔离距离。
图3-7 解决振铃现象的实物图
用图3-6的方式测试后发现，通过增大隔离距离来消除“振铃”现象的方法行不通。

D.第四版

为了减小振铃现象，第四版沿用第二、第三板的原理图，参考第二版的PCB布局。
表3-8 第四版PCB和实物图
第四版的测试结果如下：
表3-3 第四版测试表

图3-9-1 空载波形
图3-9-2 IC波形
图3-9-3 200R波形
图3-9-4 1k波形
第四版电源的性能完全不如前几版。

四、总结

A.一、二对比

对比第一、二版可知，第一版输出仅有3V左右的原因可能有以下几点：
①LDO的输入电压被R5、R6分压，达不到与其输出5V至少有1.5V或3V压差的要求，导致LDO不能正常工作；
②LDO所带负载使其输出电流大于150mA，导致LDO开启过流保护；
③变压器后方10k的R2与LED串联后，再与LDO部分并联，导致输入LDO分得的电压较小，从而导致LDO不能正常工作；
经验：起初还以为是LDO的阻抗不匹配，就把LDO后的LED和与其串联的200R电阻也删去了，因为LED和200R串联本身就相当于负载，再接入其他负载，LDO所带的总负载一定会<200R，所以应该将上述二者换成与负载能够匹配的电阻。但这种想法是错误的，因为第一个原因是像IC那种负载，它的阻抗不好测量，不可预知，再一个就是虽然并联的负载不同，但LDO输出的电压理想值不会变，变的只有电流，所以保证LDO不会开启过流保护的负载都可以。

B.一、二对比

虽然第三版的带负载能力不如第二版，但它的体积较之小，散热功能较之好，可以稳定地带动IC，稳定的时候几乎看不出波形浮动，但出现的问题就是在某些时刻，输出波形峰峰值极大。

C.小结

随着第四版的性能拉胯，隔离电源的设计暂时完全失败。不知道是不是板子面积太小还是器件选型或布线问题，总之电源项目暂时先放一放，等以后有灵感了再进行改进。断断续续的调试、设计和焊接，让我意识到做电源不是一朝一夕，一次成功的，到现在也没有设计出理想的电源。道阻且长啊！
最后，希望此篇文章中失败的经验能给正在进行隔离电源设计的同行们一些启发和灵感，帮助各位避坑；或者有隔离电源设计经验的同行，能给出一些建议亦或是批评和指正。

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