构建一款小巧的电压转换板，从单一电池源生成双轨电源

我确实喜欢制作那种能够用汽车电池为我的汽车放大器供电的电路。这不仅仅是因为它是 12 伏电压，而且我的放大器系统需要双轨供电。这是基于晶体管的放大器的主要问题，因为它们需要更高的电压并要有稳定的地参考电压，所以双轨供电的概念就应运而生了。但当我只有简单的 12 伏电池时，这对我来说就更麻烦了。比如 +24 伏和 -24 伏这样的电压。你需要一种方法来将这个电压提升并分成两条对称的轨。首先想到的显而易见的方法是使用能够实现这一功能的变压器。

这就是这个模块的用途所在。它是一款预组装的推挽式直流-直流转换板，输入 12 伏直流电，输出 24-0-24 伏(即 +24 伏和 -24 伏，中间有一个接地分压器)且电流超过 5 安培。我为一个放大器项目购买了这样一个板子，并且我认为有必要拆解一下它到底是如何工作的。运行这个系统的控制芯片是 KA3525A，这是一种经典的开关电源控制器，已经存在了几十年。在这里，我将展示推挽式拓扑结构的工作原理，以及如何安全地进行接线。用于实际的开机和负载测试。

这个模块是什么?

这是一个紧凑型的印刷电路板模块，用于将单个 12 伏直流输入转换为双轨 +/-24 伏直流输出。其目标应用领域为音频放大器和汽车音响系统。该电路板采用推挽式转换器拓扑结构，由 KA3525A 电源开关稳压器控制器芯片和两个 IRFZ44N N 型功率 MOSFET 组成。在直接安装在电路板上的铁芯上绕制有一个中心抽头变压器，次级侧安装有整流二极管，并且为直流输出配备了电解电容器滤波器。

特点：

•输入电压：12 伏直流电(来自汽车电池、铅酸电池或稳压适配器)

•输出电压：24-0-24 伏直流电(双轨供电，+24 伏和 -24 伏)

•输出电流：5安培(可扩展)

•控制器集成电路：KA3525A(飞兆半导体公司，16 引脚直插式封装)

•电源开关：2 个 IRFZ44N 型 N 沟道 MOSFET 模块

•拓扑结构：推拉式直流-直流转换器

KA3525A 电源开关稳压器控制器：

KA3525A 是飞兆半导体公司生产的一款单片集成电路，专为脉宽调制稳压器设计。它集成了实现推挽式开关电源所需的全部元件。其具备以下功能：

•5.1 五级带隙基准电压源。

•振荡器：由外部电阻器(引脚 6)和电容器(引脚 5)设定。最高可工作频率为 400 - 430 千赫兹。

•误差放大器：差分输入端分别位于 EA(-)引脚 1 和 EA(+)引脚 2 处，输出端位于 EAOUT 引脚 9 处。

•脉宽比较器：将误差放大器的输出与振荡器的斜坡信号进行比较，从而生成脉宽调制信号。

•软启动：此引脚上的一个外部电容会在电源接通时缓慢提升占空比，从而避免电压尖峰和浪涌电流。

•关机(引脚 10)：将此引脚拉高可关闭输出信号。

•欠压锁定(UVLO)：在 VCC 电压低于 6 - 8 伏时，会保持输出端处于关闭状态。

每个输出端的最大工作周期被限制在约 45% 至 49% 左右。这是有目的的设定。在推挽式转换器中，如果两个 MOSFET 同时导通，就会在变压器初级与电源之间形成一个完全短路。而 KA3525A 的内部锁存器和死区时间控制(第 7 个引脚)则确保这种情况不会发生。

转换器的工作原理：

让我来详细介绍一下从 12 伏输入到 ±24 伏输出的信号传递过程。

第 1 步：脉宽调制生成：

KA3525A 振荡器会在由 RT 和 CT 设定的开关频率下产生锯齿波斜坡信号。脉宽调制比较器会将此斜坡信号与误差放大器的输出进行比较，从而生成脉宽调制信号。内部触发器随后会交替将此信号路由至输出 A 和输出 B 两个互补的驱动信号，每个信号的频率均为振荡频率的一半，并且它们之间有保证的死区时间。

第 2 步：MOSFET 开关：

KA3525A 的每个输出都驱动着一个 IRFZ44N N 型场效应管的栅极。这些场效应管的额定值为 49 安培的漏极电流、55 伏的漏极与源极电压，以及仅 17.5 毫欧的 RDS(关断)电阻。对于此应用来说，这简直是过度配置了。当 OUTPUT A 为高电平时，场效应管 A 导通，并将变压器初级绕组的一端拉至地电位。当 OUTPUT B 为高电平时，场效应管 B 将另一端拉至地电位。初级绕组的中点与 12 伏输入相连。因此，电流会在初级绕组的两半之间交替流动，从而在变压器中产生一个交流波形。

第 3 步：转换操作

中心抽头变压器是电压转换元件。初级与次级线圈的匝数比决定了电压的升高倍数。对于输入电压为 12V 且输出目标电压为 +/-24V 的情况，该变压器在次级的每一半上将电压提升约 2 倍。次级还设有中心抽头，该抽头成为 +24V 和 -24V 电源轨之间“0”参考点的基准。

第 4 步：修正与过滤

变压器次级的交流电由快速恢复型或肖特基二极管进行整流。次级的每一半都为一个整流器供电，从而在一条轨线上产生 +24 伏电压，在另一条轨线上产生 -24 伏电压，两者均以中心抽头的接地端为基准。电解电容器将脉动直流电平滑为滤波后的轨线。电容器的尺寸和质量直接影响输出纹波。

第 5 步：反馈与调整

如果输出电压超出目标值，误差放大器会缩小脉宽调制脉冲的宽度，从而减少通过变压器传递的功率。如果输出电压在负载条件下低于目标值，它会扩大脉冲宽度。这种闭环调节能够使输出电压在不同的负载条件下保持稳定。第 8 引脚上的软启动电容确保在通电时占空比逐渐上升，从而避免变压器饱和和电压过冲。

如何使用它：

将您的 12V 直流电源连接到输入端子上。注意极性，如果颠倒极性很可能会立即损坏 MOSFET;此模块没有反向电压保护功能。请使用能够提供足够电流的电源。在 24V 轨上输出 5A 时，输入端由于升压比例和转换损耗，会从 12V 电源中抽取大约 10-12A 的电流。请使用粗线(至少 14-16 AWG)以及相应规格的电源。12V 铅酸电池或坚固的 12V 开关适配器效果很好。避免使用未调节的电源适配器。

将 +24V 和 -24V 与放大器的 V+ 和 V- 供电引脚相连。0V 中心抽头连接到放大器的接地端。有些推挽式转换器在空载时可能会产生电压尖峰，因为反馈回路没有可调节的对象。先以轻载状态运行，然后用万用表检查输出电压，再将放大器连接上去。如果您想自己动手制作，请获取原理图，并从 JLCPCB 购买组装好的产品。我曾以实惠的价格使用了 JLCPCB 的 PCB 组装服务。

我的经历：

我为这个模块配备了一个音频放大器，该放大器需要双路 +/-24V 电源，但我手头只有 12V 的实验电源。它确实实现了其核心功能，即从 12V 输入获取稳定的 +/-24V 电源，为放大器供电。我用万用表对其进行了测试。当输出电容充电时，会显示出约 25V 的显著高电压。但我也在一定负载条件下对其进行了测试，测试结果如下所示。

在无负载状态下：

产品的质量符合一般模块应有的水平。印刷电路板质量尚可，焊点也尚可接受，IRFZ44N 晶体管也是正品。电路板上最大的元件就是这个变压器，其绕制得也还算不错。如果要自己制作类似的产品，你需要找一家好的元器件供应商。

在负载状态下：

结尾：

这款 12V 至 24-0-24V 的推挽式转换模块是针对一个非常特殊问题的实用解决方案：从单一低电压源获取双轨高电压直流电。KA3525A 控制器是一款经过验证、易于理解的开关电源集成电路，采用 IRFZ44N 晶体管的推挽式拓扑结构。它是否能替代一款合适的实验电源，或者是一款专门设计的开关电源呢?否。但对于汽车音响组装、电池供电的放大器项目以及需要从 12 伏电源获取 +/-24 伏电压的快速原型制作等场景而言，它能够胜任任务。

本文编译自hackster.io