詳解 Oceanside（MAXREFDES9#）隔離電源子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在電子工程領(lǐng)域，隔離電源的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)傳感器、工業(yè)自動(dòng)化、過程控制和醫(yī)療等眾多領(lǐng)域。今天，我們就來詳細(xì)探討一下 Maxim Integrated 的 Oceanside（MAXREFDES9#）子系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)，這是一款輸入電壓范圍為 3.3V 至 15V，輸出為 ±15V（±12V）的隔離電源。

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一、設(shè)計(jì)概述

Oceanside 設(shè)計(jì)主要使用了 MAX668 升壓控制器、MAX13256 36V H 橋變壓器驅(qū)動(dòng)器以及一對(duì) MAX1659 低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器，能夠從較寬的輸入電壓范圍創(chuàng)建出 ±15V（±12V）輸出的隔離電源。這種通用電源解決方案適用于多種隔離電源應(yīng)用場(chǎng)景。

二、設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1. 隔離電源：提供可靠的隔離功能，確保電源的穩(wěn)定性和安全性。
2. ±15V（±12V）輸出：滿足多種設(shè)備對(duì)電源電壓的需求。
3. 小 PCB 面積：節(jié)省電路板空間，適合小型化設(shè)計(jì)。
4. Pmod? 兼容外形：方便與其他設(shè)備進(jìn)行集成。

三、硬件詳細(xì)描述

電源輸入與升壓

該子系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)由 3.3V 至 15V 的直流電源供電。MAX668 高效升壓控制器將輸入電壓提升至 16V，并連接到 H 橋變壓器驅(qū)動(dòng)器的輸入。

變壓器驅(qū)動(dòng)與整流

MAX13256 H 橋變壓器驅(qū)動(dòng)器以 425kHz 的頻率開關(guān)，驅(qū)動(dòng) 1:1 匝數(shù)比的變壓器初級(jí)側(cè)，使用的是 Halo? Electronics 的 TGMR - 501V6LF 變壓器。全波橋式整流器將變壓器次級(jí)線圈的交流輸出轉(zhuǎn)換為直流輸出。

電壓調(diào)節(jié)與保護(hù)

LDO 對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其穩(wěn)定在 ±15V。齊納二極管（D3 和 D4）保護(hù) LDO，將其輸入電壓保持在 16.5V 以下。同時(shí)，R5 2.2kΩ 電阻將 H 橋變壓器驅(qū)動(dòng)器的輸出電流限制在 300mA，防止 LDO 過流。電流限制公式為：[R5 (k Omega)=650 / ILIM(mA)]

輸入電源選擇

通過 JU1 可以選擇輸入電源。將分流器置于 2 - 3 位置，可通過連接到 VIN 和 GND1 連接器的外部電源為電路板供電；置于 1 - 2 位置，則通過 J1 Pmod 兼容連接器為電路板供電。

輸出電壓調(diào)整

要改變子系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)的輸出電壓，只需更改 LDO（U3 和 U4）的反饋電阻（R7 - R10）以及升壓控制器（U1）的反饋電阻（R3 和 R4）。 MAX1659 LDO 的輸出電壓計(jì)算公式為： [V{OUT }=V{SET } times(1+R 7 / R 9) for U 3] [V{OUT }=V{SET } times(1+R 8 / R 10) for U 4] 其中 (V{SET }=1.21V)。 MAX668 升壓控制器的輸出電壓計(jì)算公式為： [V{OUT }=V{SET } times(1+R 3 / R 4)] 其中 (V{SET }=1.25)。 例如，對(duì)于 ±12V 輸出應(yīng)用，將 R7 和 R8 更改為 90.9kΩ，R9 和 R10 更改為 10.2kΩ。當(dāng) LDO 的輸入（變壓器和全波橋式整流器的輸出）高于 12V 加上壓降時(shí)，LDO 的輸出變?yōu)?±12V。然后，將 R3 更改為 100kΩ，R4 更改為 10.5kΩ，將升壓控制器的輸出設(shè)置為 13.15V。需要注意的是，不要將此電壓設(shè)置得比 LDO 的輸出高太多，否則會(huì)導(dǎo)致 LDO 功率損耗增加，效率降低。在對(duì)輸出電壓紋波敏感的應(yīng)用中，可以在 LDO 輸入前添加低通 LC π 濾波器。

隔離變壓器

該設(shè)計(jì)中的隔離變壓器隔離電壓為 5000VRMS，符合 UL 60950 和 EN 60950 標(biāo)準(zhǔn)，屬于“功能”絕緣類。

四、快速啟動(dòng)

所需設(shè)備

1. Oceanside（MAXREFDES9#）電路板
2. 3.3V 至 15V 電源
3. 兩個(gè)數(shù)字電壓表

操作步驟

1. 將跳線 JU1 上的分流器置于 1 - 2 位置。
2. 將電源的正極連接到 VIN 連接器。
3. 將電源的負(fù)極連接到 GND1 連接器。
4. 將第一個(gè)電壓表的正極連接到 +15V 連接器。
5. 將第一個(gè)電壓表的負(fù)極連接到 GND2 連接器。
6. 將第二個(gè)電壓表的正極連接到 -15V 連接器。
7. 將第二個(gè)電壓表的負(fù)極連接到 GND2 連接器。
8. 打開電源。
9. 使用相應(yīng)的電壓表測(cè)量對(duì)應(yīng)的正、負(fù)輸出電壓。

五、實(shí)驗(yàn)室測(cè)量

最大負(fù)載與效率

Oceanside 設(shè)計(jì)針對(duì) ±15V 和 ±12V 兩種輸出電壓軌進(jìn)行了測(cè)試。通過修改 R3/R4、R7/R9 和 R8/R10 的電阻值比例，可以實(shí)現(xiàn)其他電壓軌。測(cè)試時(shí)在兩個(gè)軌上使用了相等的負(fù)載。表 1 展示了不同設(shè)置下的最大負(fù)載以及最大負(fù)載時(shí)的效率。

對(duì)于非對(duì)稱負(fù)載應(yīng)用，一個(gè)軌的最大負(fù)載可以更大，另一個(gè)軌則更小。為了獲得更大的最大負(fù)載，用戶可以提高升壓控制器的輸出電壓，但由于 LDO 上的電壓降增加，效率會(huì)降低。

輸出噪聲

輸出噪聲遠(yuǎn)低于輸出電壓的 0.5%，主要由 MAX13256 的開關(guān)脈沖引起。不同設(shè)置下的噪聲示波器截圖展示了噪聲情況，對(duì)于對(duì)稱負(fù)載應(yīng)用，負(fù)軌上的噪聲與正軌上的噪聲相同。

六、設(shè)計(jì)文件與相關(guān)信息

設(shè)計(jì)文件

包括原理圖、物料清單（BOM）、PCB 布局、PCB Gerber 文件和 PCB CAD（PADS 9.0）文件。

相關(guān)部件

更多信息

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在實(shí)際設(shè)計(jì)中，你是否遇到過類似的隔離電源設(shè)計(jì)問題？對(duì)于 Oceanside 設(shè)計(jì)，你認(rèn)為還有哪些方面可以進(jìn)一步優(yōu)化呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的看法和經(jīng)驗(yàn)。