單片機(jī)電源模塊的設(shè)計(jì)分析 - 全文

引言

　　特種單片開關(guān)電源有兩種設(shè)計(jì)方案：第一種是采用通用單片開關(guān)電源集成電路（例如TOPSwitch－Ⅱ、TOPSwitch－FX、 TOPSwitch－GX等系列），再配上電壓控制環(huán)、電流控制環(huán)等外圍電路設(shè)計(jì)而成的，其特點(diǎn)是輸出功率較大，但外圍電路復(fù)雜；第二種是采用最近問世的 LinkSwitch系列高效率恒壓／恒流式三端單片開關(guān)電源芯片，或選用LinkSwitch－TN系列、DPA－Switch系列單片開關(guān)電源專用 IC，這樣可大大簡(jiǎn)化電路，降低成本，適合構(gòu)成中、小功率的特種開關(guān)電源。

1? 2.5W恒壓／恒流式充電器模塊

　　下面介紹一種由LNK500構(gòu)成的2.5W恒壓／恒流式充電器模塊。它適用于手機(jī)電池充電器、個(gè)人數(shù)字助理（PDA，即Personal Digital Assistant）、便攜式音頻設(shè)備、電動(dòng)剃須刀、家用電器的內(nèi)置電源（如彩電的備用電源、偏置電源）等領(lǐng)域。

1.1? 性能特點(diǎn)和技術(shù)指標(biāo)

　　1）采用高效率恒壓／恒流式單片開關(guān)電源LNK500，交流輸入電壓范圍是85～265V，當(dāng)交流輸入電壓為265V時(shí)，漏電流<5μA，額定輸出電壓為5.5V，最大輸出電流為0.45A，輸出功率為2.5W。

　　2）低功耗，高效率，空載功耗<0.3W，電源效率的典型值η≈68％。

　　3）在峰值功率點(diǎn)，允許輸出電壓有±10％的誤差，當(dāng)初級(jí)電感量Lp的誤差為±10％時(shí)，輸出電流有±25％的誤差。

　　4）電路簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，該電源僅需23個(gè)元器件，不需要次級(jí)反饋電路，用初級(jí)電路即可實(shí)現(xiàn)恒流／恒壓輸出，允許采用低價(jià)格、小尺寸的EE13型磁芯。

　　5）具有過熱保護(hù)、輸出短路保護(hù)及開環(huán)保護(hù)功能。

　　6）符合電磁兼容性國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)CISPR22B／EN55022B。

1.2? 2.5W恒壓／恒流式充電器模塊的電路設(shè)計(jì)

　　由LNK500構(gòu)成2.5W恒壓／恒流式充電器模塊的內(nèi)部電路如圖1所示。FR為可自恢復(fù)熔斷電阻器，它具有限流保護(hù)作用并能限制上電時(shí)的沖擊電流。由VD1～VD4構(gòu)成橋式整流，由電感L1、L2和電容C1、C2組成低功耗π型濾波器，能濾除電磁干擾。L2可采用3.3μH的磁珠。在LNK500內(nèi)部功率MOSFET導(dǎo)通時(shí)，輸出整流管VD6截止，此時(shí)電能就儲(chǔ)存在高頻變壓器中。當(dāng)功率MOSFET關(guān)斷時(shí)，VD6導(dǎo)通，儲(chǔ)存在高頻變壓器中的能量就通過次級(jí)電路輸出。VD6采用1A／100V的肖特基二極管SB1100，R4和C7并聯(lián)在VD6兩端，能防止VD6在高頻開關(guān)狀態(tài)下產(chǎn)生自激振蕩。C6為輸出端濾波電容。R5為22kΩ的負(fù)載電阻。

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圖1??? 2.5W恒壓／恒流式充電器模塊的內(nèi)部電路

　　由R1、C3和VD5構(gòu)成的RCD型箝位電路具有以下功能：

　　1）當(dāng)功率MOSFET關(guān)斷時(shí)，對(duì)初級(jí)感應(yīng)電壓進(jìn)行箝位；

　　2）能簡(jiǎn)化反饋電路的設(shè)計(jì)。

　　控制端的反饋電流由電阻R2來設(shè)定。剛啟動(dòng)電源時(shí)由控制端電容C4給LNK500供電，C4還決定了自動(dòng)重啟動(dòng)頻率。

　　為了降低電磁干擾，高頻變壓器的初級(jí)設(shè)計(jì)了兩個(gè)繞組，分別為NP1及NP2。NP2被稱為“抵消繞組”（cancellation winding），它經(jīng)過R3及C5接初級(jí)返回端，能降低初級(jí)電路中的電磁干擾。此外，在初、次級(jí)之間還需增加屏蔽層。

　　LNK500只適合在不連續(xù)模式下工作，其輸出功率由式（1）確定。

　　PO≈0.5ηLPIP2f（1）

　　式中：PO為輸出功率；

　　η為電源效率；

　　LP為高頻變壓器的初級(jí)電感；

　　IP為L(zhǎng)NK500的峰值電流；

　　f為開關(guān)頻率。

　　不難看出，PO與LP成正比，IP2f的大小則受LNK500控制。

　　高頻變壓器采用EE13型磁芯，配8引腳的骨架。初級(jí)繞組NP1用φ0.13mm漆包線繞90匝，NP2用φ0.16mm漆包線繞22匝，次級(jí)繞組用兩股φ0.25mm的三重絕緣線繞5匝。在初、次級(jí)繞組之間用3股φ0.25mm漆包線繞5匝，作為屏蔽層。初級(jí)電感量LP=2.3mH（允許有±10％的誤差）。高頻變壓器的諧振頻率不低于300kHz。

　　2.5W恒壓／恒流式充電器的輸出特性如圖2所示。

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圖2??? 2.5W充電器的恒壓／恒流輸出特性

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?2??? 帶以太網(wǎng)接口的15WDC／DC電源變換器模塊
2.1??? 以太網(wǎng)電源的性能特點(diǎn)
　　以太網(wǎng)（EthernetNetwork）是目前最常用的一種局域網(wǎng)。以太網(wǎng)電源簡(jiǎn)稱POE（Power Over Ethernet），它僅通過一根以太網(wǎng)電纜即可同時(shí)為用戶提供數(shù)據(jù)和供電電源，不需要再另外布線。以太網(wǎng)電源中的電源裝置簡(jiǎn)稱為PD，它具有以下特點(diǎn)：
　　——能提供PD檢測(cè)與分類信號(hào)；
　　——能提供到DC／DC電源變換器的軟啟動(dòng)接口；
　　——具有過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、過熱保護(hù)等功能。
　　根據(jù)POE規(guī)范，PD應(yīng)具有以下3個(gè)基本功能。
　　1）能識(shí)別信號(hào)阻抗??? 當(dāng)一個(gè)輸入電壓加到PD時(shí)，它必須在規(guī)定電壓范圍內(nèi)呈現(xiàn)正確的識(shí)別信號(hào)阻抗。當(dāng)某個(gè)以太網(wǎng)設(shè)備請(qǐng)求供電時(shí)，首先給以太網(wǎng)發(fā)出2.5～10V的電壓信號(hào)，有效的PD檢測(cè)到此電壓信號(hào)后，就將一個(gè)23.75～26.25kΩ的電阻置于供電回路上，電流會(huì)隨輸入電壓而變化；通過檢測(cè)該電流確認(rèn)在以太網(wǎng)電纜終端有一個(gè)有效的以太網(wǎng)設(shè)備需要供電。如放置的電阻值在12～23.75kΩ或在26.25～45kΩ范圍內(nèi)，則認(rèn)為該以太網(wǎng)設(shè)備有效但不需要供電。其他范圍的電阻值則意味著所檢測(cè)到的以太網(wǎng)設(shè)備無效。
　　2）類型??? PD有不同的類型，每種類型對(duì)應(yīng)于一定的電流。例如，“0”類PD的電流為0.5～4mA。當(dāng)PD檢測(cè)有效信號(hào)之后，就對(duì)PD進(jìn)行分類。具體方法是將送到網(wǎng)絡(luò)鏈路上的電壓升高到15.5～20.5V，使PD獲得一個(gè)固定的電流，再根據(jù)電流范圍完成PD分類。
　　3）開關(guān)連接??? 連接以太網(wǎng)電源的開關(guān)主要有兩種，一種是雙極型晶體管開關(guān)，其電源效率較高，成本較低；另一種為MOSFET開關(guān)，其電源效率極高（可接近于100％）。
　　下面介紹一種帶以太網(wǎng)接口電路的同步整流式15WDC／DC電源變換器模塊，可廣泛用于網(wǎng)絡(luò)及通信設(shè)備中。
2.2??? 15W以太網(wǎng)電源模塊的電路設(shè)計(jì)
　　由雙極型開關(guān)管和DPA424P構(gòu)成15WPOE模塊的內(nèi)部電路如圖3所示。該電源由兩部分組成，即以太網(wǎng)接口電路（電路中用虛線框表示）和DC／DC電源變換器。模塊中包含POE識(shí)別信號(hào)阻抗（24.9kΩ，直流2.5～10V）、“0類”類型電路（0.5～4mA，直流15～20V）。采用雙極型晶體管開關(guān)或MOSFET開關(guān)時(shí)，POE接口的效率分別為η≥87％或η≥97％。

2.2.1??? 以太網(wǎng)電源接口電路的工作原理
　　該以太網(wǎng)電源接口電路的工作過程可分為三個(gè)階段：在第一階段，當(dāng)輸入電壓加到PD時(shí)，它必須在直流2.5～10V的電壓范圍內(nèi)呈現(xiàn)正確的識(shí)別信號(hào)阻抗，電阻R13（24.9kΩ）可提供這個(gè)阻抗；在第二階段，當(dāng)直流輸入電壓為15～20V時(shí)，PD用一個(gè)規(guī)定的電流來識(shí)別裝置類型，例如“0類”電流范圍是0.5mA～4mA，這也由R13來完成；在第三階段，通過雙極型開關(guān)管（VT）將輸入電壓接到DC／DC電源變換器上，該電源變換器允許輸入超過30V（28V＋UR14）的直流電壓。此時(shí)穩(wěn)壓管VDZ1被反向擊穿，通過R14給VT提供基極電流。R15的作用是防止在其他條件下開啟電源。一旦開啟電源，輔助繞組輸出的高頻電壓信號(hào)就經(jīng)過耦合電容C3、整流管VD2和限流電阻R16來提高VT的直流偏壓，使基極電流增大。在負(fù)半周時(shí)VD1導(dǎo)通，可確保加到基極上的偏壓總為正壓。
　　如圖4所示為使用MOSFET（V3）的開關(guān)電路。VDZ4及VDZ5分別采用28V及15V穩(wěn)壓管。當(dāng)輸入電壓超過28V時(shí)VDZ4被反向擊穿，使V3導(dǎo)通，將電源開啟。當(dāng)輸入電壓超過43V時(shí)VDZ5也被反向擊穿，能限制V3的柵－源電壓，起到保護(hù)作用。R15能防止V3被誤導(dǎo)通。該以太網(wǎng)電源模塊的識(shí)別信號(hào)阻抗與輸入電壓的關(guān)系曲線如圖5所示，識(shí)別電壓范圍是2.5～10V。

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2.2.2??? 15WDC／DC電源變換器的工作原理
　　DC／DC電源變換器的主要性能指標(biāo)如下：
　　1）采用DPA424P型單片開關(guān)式穩(wěn)壓器，構(gòu)成正激、隔離式、3路輸出的DC／DC電源變換器模塊。直流輸入電壓范圍是36～75V，3路輸出分別為5V／2.4A、7.5V／0.4A和20V／10mA，總輸出功率為15.2W，開關(guān)頻率為400kHz；
　　2）多路輸出，穩(wěn)壓性能好，在最壞的情況下，各路輸出的負(fù)載調(diào)整率指標(biāo)見表1，
　

　表1??? 各路輸出的負(fù)載調(diào)整率指標(biāo)

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? 3 路輸出電壓UO/V? 5? 7.5? 20
　　負(fù)載變化范圍/％? 20～100? 0～100? 100
　　負(fù)載調(diào)整率SI/％? ≤±1? －4～＋8? －3～＋6
　　3）采用電容耦合式同步整流技術(shù)，DC／DC電源變換器的效率高達(dá)88％；
　　4）能精確設(shè)定輸入線路的欠電壓、過電壓值；
　　5）具有輸出過載保護(hù)、開環(huán)保護(hù)和過熱保護(hù)功能。
　　圖3中，輸入端EMI濾波器由C1，L1和C2構(gòu)成。R1為欠電壓值／過電壓值設(shè)定電阻，所設(shè)定的UUV=33.3V，UOV=86.0V。R1還能自動(dòng)減小最大占空比，防止磁飽和。R2為極限電流設(shè)定電阻，取R2=13.3kΩ時(shí)，所設(shè)定的漏極極限電流ILIMIT′=0.57ILIMIT=0.57×2.50A=1.425A。穩(wěn)壓管VDZ2可將漏極電壓箝位在安全范圍以內(nèi)。V1的等效柵極電容能給高頻變壓器提供最佳復(fù)位。
　　該電源以5V輸出作為主輸出，其他兩路輸出都是在此基礎(chǔ)上獲得的。由C11，R11，R12和MOS場(chǎng)效應(yīng)管V2及V1構(gòu)成5V主輸出的電容耦合式同步整流器。穩(wěn)壓管VDZ3起箝位作用。在沒有開關(guān)信號(hào)時(shí)，通過下拉電阻R13使V2關(guān)斷。儲(chǔ)能電感L2回掃繞組的電壓經(jīng)過VD4和C9整流濾波后，獲得20V輸出。高頻變壓器次級(jí)繞組（8－5）的電壓經(jīng)過VD3和C10整流濾波后獲得7.5V輸出。將6.8V穩(wěn)壓管VDZ4和二極管VD7反極性串聯(lián)后作為7.5V輸出的負(fù)載電阻，以改善空載穩(wěn)壓特性?？蛰d時(shí)輸出電壓一旦超過7.5V，VDZ4就被反向擊穿，利用VDZ4和VD2上的壓降可將輸出電壓箝制在大約7.5V上。正常工作時(shí)，輔助繞組的輸出電壓經(jīng)過VD6、C5整流濾波后給光耦合器PC357提供12～15V的偏壓。R5、VD8和C16組成軟啟動(dòng)電路，能防止在啟動(dòng)過程中輸出過沖。

　　該電源模塊的電源效率與輸入電壓的關(guān)系曲線如圖6所示。

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2.2.3??? 電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)
　　1）采用雙極型功率開關(guān)管（VT）
　　（1）選擇雙極型開關(guān)管VT，要能承受較高的電壓并提供足夠的電流，其電流放大系數(shù)要足夠高。
　?。?）選擇R14以提供足夠大的基極電流，確保能夠開啟DC／DC電源變換器。
　?。?）選擇R16（典型值為10～20Ω）以限制在開關(guān)過程中產(chǎn)生的尖峰電流。
　?。?）推薦采用Fairchild公司生產(chǎn)的TIP29C型雙極型中功率開關(guān)管，其主要參數(shù)如下：集電極—發(fā)射極擊穿電壓UU（BR）CEO=100V，基極最大允許電流IBM=0.4A，最大集電極電流ICM=1A，集電極最大功耗PCM=30W，hFE=75倍，fT=3.0MHz。
　　2）采用功率MOSFET（V3）
　?。?）選擇R14以限制穩(wěn)壓管VDZ4和VDZ5的功耗。
　　（2）選擇R15以確保在輸入電壓低于28V時(shí)能關(guān)閉V3。
　　（3）選擇VDZ4的穩(wěn)壓值以防止在輸入電壓低于28V時(shí)開啟V3。
　?。?）注意，R14及R15的電阻值還影響到VDZ4的損耗。
　　（5）選擇VDZ5的穩(wěn)壓值以限制V3的最大柵－源電壓（典型值應(yīng)為15V）。
　　（6）推薦采用Philips公司生產(chǎn)的IRF530N型N溝道功率MOSFET。其主要參數(shù)如下：漏－源極擊穿電壓U（BR）DS=100V，最大漏極功耗PDM=79W，漏－源通態(tài)電阻RDS（ON）=80mΩ，跨導(dǎo)gFS=11S，導(dǎo)通時(shí)間tON=36ns，關(guān)斷時(shí)間tOFF=12ns。
3??? 結(jié)語
　　特種集成開關(guān)電源的種類很多，還可以設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)電源、地面數(shù)字電視播放（DVB－T）電源及電源適配器等新產(chǎn)品；而LinkSwitch系列高效率恒壓／恒流式三端單片開關(guān)電源、LinkSwitch－TN系列及DPA－Switch系列單片開關(guān)電源的問世，為實(shí)現(xiàn)中、小功率特種開關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)造了有利條件。

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