一种隔离式DC/DC开关电源的设计

摘要：本文结合实例介绍了利用LM2577制作的一种隔离式DC/DC开关直流稳压电源的电路设计及相应的电路图。
关键词：DC/DC；开关电源；隔离变换器；设计；分析

LM2577是National Semicnductor公司生产的一种典型的升压式集成开关电源调整器，广泛应用在许多电子产品的电源电路中。它具有外接元器件少、输入直流电源电压范围宽(3.5～40V)、输出开关电流达到3A、内部有固定频率(52kHz)振荡器、电流反馈型工作方式、有软启动、电流限制、欠压锁定和热关闭保护等功能。可以接成简单升压、隔离和多输出电压的开关电源电路。它的封装有5引脚的TO-220形式与4引脚的TO-3P形式等,输出直流电压有12V、15V和可调(ADJ)。

图1　LM2577-ADJ典型电路

典型升压DC/DC电路

TO-220封装形式的LM2577-ADJ典型DC/DC升压形式的直流开关稳压电源电路图如图1所示。它的内部有1.23V和2.5V能隙基准电压单元、52kHz固定频率锯齿波振荡器、RS触发器、晶体管驱动电路和峰值电流可以达到3A的晶体管，还包括峰值电流采样电阻、采样电流放大器、采样电压放大器，共同组成电压、电流误差反馈系统，以达到脉冲宽度调制(PWM)工作方式。另外，还有软启动、欠压锁定、过流限制及热关断等单元。如图1所示的直流开关稳压电源只需要外接八个元器件就可以组成一个U_o>U_i的直接升压电源。其中反馈取样电阻R1、R2的阻值可以确定直流输出端的电压值。例如当输出直流电压为+12V时，R1的阻值为17.5kΩ,R2为2kΩ。



隔离式DC/DC开关稳压电源要求

利用LM2577设计一个外形尺寸仅为25.4mm×25.4mm×10.1mm(1英寸×1英寸×0.4英寸)隔离式DC/DC开关电源模块,用于医疗设备的隔离检测供电系统。该电源系统的具体要求如下：
(1)输入端输入直流电源电压+12V；
(2)隔离双路输出直流电源电压±12V；
(3)输出最大平均电流50mA；
(4)输出纹波电压小于5mV；
(5)输入、输出相互隔离；
(6)输入输出之间隔离击穿电压大于2000VDC；
(7)具有已经给定的保护措施。

设计方案

典型设计的12V/±12V隔离式DC/DC开关稳压电源的电路图如图2所示。图中的IC1为LM2577-ADJ型的集成电路，脉冲变压器T1共有三个绕组：N1为主绕组；N2为辅助取样绕组；N3、N4为次级绕组；圈数相同，T1的初级、次级之间是隔离的。C1为直流输入12V的滤波电容，D1是取样绕组的整流二极管，C2为该取样电压的滤波电容，R2、R3是取样分压电阻，R1、C3组成补偿网络。D2、D3是次级输出整流二极管，IC2、IC3是小电流三端线性直流稳压电路(目的是使得输出直流电源电压更加稳定)，C4、C5和C6、C7是次级直流滤波电容。输出对称的±12V直流电源。

图2　典型设计电路图

脉冲变压器的设计
输出功率
P_o=(U_o1+U_F)I_o1+/(U_o2+U_F)/I_o2=(12+2)×0.05+/(-12-2)/×0.05=1.4W
其中U_F为整流二极管和三端稳压器的电压降之和。若效率η按照75%计算，则
P_i=P_o÷η=1.4÷75%=1.9W
设PWM控制最大占空比
δ_max=0.3=30%
则初级绕组N1的电感量


其中的Ui是输入的直流电源电压，f为LM2577内部振荡频率。初级绕组峰值电流



初级绕组电感的储能



初级绕组的匝数N1:



其中B_s为磁感应强度，A_e为脉冲变压器磁心载面积则



次级绕组的匝数N3、N4:



辅助绕组的匝数N2:



根据峰值电流的计算结果，初级绕组N1和次级绕组N3、N4均采用Φ0.1mm的高强度漆包线绕制，辅助绕组N2同样采用Φ0.1mm的高强度漆包线绕制。层间用0.1mm的聚脂薄膜绝缘。脉冲变压器T1采用TDK公司生产的EU3×5高频磁心,它是罐形磁心，高度是8mm，满足要求。为了防止磁通饱和上下两个罐形磁心之间垫有0.1mm的聚脂薄膜两层。

输入滤波电容C1


C1设计为330μF耐压16V。

输出滤波电容C4、C5


C4、C5设计为330μF耐压16V。

R1、C3的设计
R1、C3构成了一个使LM2577电压调整器保持稳定的极2零点补偿网络，它们的数值主要取决于反馈取样电压调整器的增益、最大直流输出电流I_omax、L1和C4、C5。



调试

典型的测试电路如图3所示，为了检测输出特性，±12V输出端子各自接入一个假负载电阻，按照下面公式确定其参数。



P=U_oI_omax=12×0.05=0.6W≈1W

图3　测试电路

输出电压值纹波
输入电源电压在3.5到40V之间变化，利用示波器检测两路输出电压值为±11.9～±12.2V之间，误差最大为1.7%,满足要求。输出纹波为5mV，基本看不出毛刺，也满足要求。

短路实验
将两路输出直接短路，电源模块内部的LM2577过流保护电路起作用，没有明显过热变化，持续20分钟，仍然没有损坏，恢复原来的测试电路，仍然能够正常工作，因此认为设计合理。

实际应用
该电源做成一种模块形式,直接焊接在电路板上面，次级的±12V直流电源通过大约3m长的电源传输线送到检测器，作为隔离检测电路的电源使用；而检测信号则反向通过光电耦合器送回到检测仪器部分，整个传输线利用带有屏蔽的多芯电缆。该系统的电路结构方框图如图4所示。

图4　系统结构方框图

结束语

利用LM2577-ADJ可以方便地制作小型隔离开关稳压电源模块，电路简单,体积很小、效率可以达到85%以上,稳压效果很好。同时具有多种保护措施，经过脉冲变压器的绝缘材料作用，主体电路与检测电路之间可实现良好的隔离。制作中的关键是脉冲变压器的体积决定整个电源的尺寸。