【原创DIY】15W模块电源制作

15W模块电源制作

尺寸31.80mm*20.32mm*11.20mm，4:1宽输入电压范围，典型输入电压为28V，输出功率15W，输出电压5V，输入输出要求隔离，具备使能控制和连续、自恢复短路保护功能，具体技术指标如下：

项目	技术指标
输入电压（V DC）	9~36
输出电压（VDC）	5.00
输出负载电流（A）	2.00
效率（%）	85
电压调整率（%）	0.5%
负载调整率（%）	0.5%
纹波/噪声（mV）	60
动态过冲（mV）	±150
动态恢复时间（uS）	400
环境温度（℃）	‐45~+85

1、控制芯片
采用TI公司的LM5026作为主控芯片。LM5026是一款峰值电流模式的PWM控制芯片，输入电压范围13~100V，具备输入欠压锁定、过流打嗝保护、软起动等多种功能，可提供最大3A的驱动电流，且最大占空比可调，芯片内部也可产生5V的基准电压，适用于带光耦隔离反馈的控制电路，可直接用5V基准电压为光耦供电。输出电压通过TLV431稳压器输出误差信号，与光耦ACPL-217配合输出一个反馈的电流信号到LM5026的COMP引脚，实现PWM控制。
2、开关频率
f=330kHz，考虑到DC/DC模块电源的输入电压范围在9~36V，输入电压较低（9~20V左右）时电路工作在CCM连续模式，输入电压（20~36V）较高时工作在DCM断续模式。
3、原边MOS管
选取漏源电压100V的FDMC86102，其漏极电流20A，原边的平均电流最大为不到2A。MOS管的导通电阻为24mΩ，有较小的导通损耗和开关损耗。
4、副边MOS管
副边用于同步整流管的MOSFET选用了Toshiba公司的TPN4R303，其漏源电压30V，漏极电流60A，导通电阻为6.3mΩ，门极电荷3.9nC。
5、副边控制芯片
本设计采用副边同步整流技术，选取IR公司生产的IR1167作为副边MOS管的控制芯片。同步整流MOS管初始导通阶段，变压器二次侧的电流先用过其体二极管导通，此时同步MOS两端产生一个负电压，随二次侧电流增大，二极管压降也在增大，IR1167芯片检测VDS电压，在其超过某阈值VTH2时驱动MOS管导通，进入同步整流工作模式；MOS管导通后会一直保持，直到电流下降使VDS降低到另一阈值VTH1时，此时同步MOS进入关断状态；由于此时电路中可能存在较快的电流变化，进而产生的电压若超过反并二极管导通电压，二极管会重新导通，重复进入初始导通状态。为防止干扰在此处引入消隐时间，当同步MOS两端电压为正且大于第三个阈值VTH3时，芯片输出PWM信号的消隐状态结束，重新进入下一开关周期的工作。
6、其他电路参数
输入滤波电感Lin取2.2µH，滤波电容Cin取两个4.7µF电容的并联，输出滤波电容C取330µF。主电路中位于初级侧的输入电流采样电阻Rsense，采用10mΩ的厚膜电阻。
7、保护设计
(1)  输入欠压锁定
LM5026内部提供了两级UVLO欠压锁定电路，在输入芯片2号引脚的电压超过0.4V时，芯片处于关断状态，内部电路不动作。当2脚的电压在0.4V到1.25V时，LM5026处于待机状态，此时芯片的VCC和REF调节器工作，芯片没有输出。当2脚电压超过1.25V时，芯片可以正常工作。本应用中通过对输入母线电压进行分压采样，输入LM5026芯片的UVLO端，当UVLO超过1.25V（即模块对应输入电压高于9V左右），芯片使能输出，电路正常工作。
(2)  限流保护
通过检测变压器原边电流实现限流保护功能。开关管下方串联一阻值很小的采样电阻R3，采样后的电流转换成电压，经放大器后输入到LM5026芯片的电流检测CS端。主控芯片内部将检测到的电流值与参考阈值Ilimit进行比较，芯片的CS端为PWM控制所需电流信号提供斜坡控制，为电源过载提供限流检测信号。
(3)  长时间短路保护
LM5026中，长时间短路保护是在限流保护的基础上进行的，同样使用到3号CS引脚。当短路状况出现时，重复触发限流保护，芯片内部的限流重启计时器启动，首先关闭PWM信号输出，延时一段时间后重新启动。通过RES端电容的充、放电，当电压达到2.5V阈值时，芯片将进入打隔限流状态，电源重新启动，过流现象依然存在时，重复打嗝保护，过流现象解除时，恢复正常。限流重启计数器可以设置成多种组合的限流方式，本文采用延迟打嗝限流方式，在打嗝限保护前先进入逐脉冲限流保护，保证短时间短路不会出现打嗝重启，降低电源损耗和芯片打嗝次数。

8、原理图


9、实物和PCB

31.80mm*20.32mm


顶层和底层布局

10、波形

启动和关机波形

满载和空载切换波形