【世說設(shè)計(jì)】助你設(shè)計(jì)一款75瓦單輸出臺(tái)式電源

優(yōu)質(zhì)臺(tái)式電源是所有電子或科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的必備設(shè)備，因?yàn)槿绻娫床荒苷?a target="_blank">供電，則敏感電路可能會(huì)出現(xiàn)意外故障?，F(xiàn)在市面上的大多數(shù)電源需要以高成本、尺寸和散熱性能為代價(jià)，才能提供具有競(jìng)爭(zhēng)力的規(guī)格。

圖 1 所示的電路是 75 W 單通道臺(tái)式電源，具有 0 V 至 27.5 V的可調(diào)寬輸出電壓范圍和限流/恒流操作（高達(dá) 3 A）。（下文簡(jiǎn)稱該電路為CN-0508）

圖 1. CN-0508 方框圖

借助樹莓派兼容擴(kuò)展頭，可通過本地觸摸屏或者無線或有線網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)電子控制。輸出電壓可手動(dòng)控制或通過軟件控制，通過手動(dòng)限流控制可進(jìn)行從恒壓操作向恒流操作轉(zhuǎn)換設(shè)置。

臺(tái)式電源具有混合降壓/線性架構(gòu)，提供低輸出紋波和低輸出電容、出色的瞬態(tài)響應(yīng)、0 V 和 0 A 調(diào)節(jié)，并且無需散熱器亦可實(shí)現(xiàn)低功耗。這款完整的解決方案成本低，外形緊湊，易于配置，可獨(dú)立操作或與其他設(shè)備集成。

電路描述

CN-0508提供性能堪比高性能商用電源的低成本、可調(diào)節(jié)電源解決方案。

其設(shè)計(jì)采用由一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器預(yù)調(diào)節(jié)器和兩個(gè)并聯(lián)線性穩(wěn)壓器組成的混合電路拓?fù)?。該拓?fù)浼婢呓祲恨D(zhuǎn)換器的高電源效率以及線性穩(wěn)壓器的低輸出噪聲、低紋波和可調(diào)限流特性。

除電路板本身之外，無需散熱器。相比之下，線性臺(tái)式電源的通流器件（分立晶體管或集成電路調(diào)節(jié)器）則需要外部散熱器來進(jìn)行充分地散熱。

電源核心

LT8612降壓轉(zhuǎn)換器

CN-0508設(shè)計(jì)的第一級(jí)是 LT8612 同步降壓轉(zhuǎn)換器。降壓轉(zhuǎn)換器或降壓型開關(guān)模式電源可有效地降低直流電壓。相對(duì)于具有類似電流能力的線性穩(wěn)壓器，降壓轉(zhuǎn)換器還能夠以小型封裝提供低功耗和高功率密度。

系統(tǒng)的直流輸入先由 32 μF 總電容濾波和旁路，再進(jìn)入降壓轉(zhuǎn)換器的輸入端。LT8612 能夠?qū)?30 V 標(biāo)稱輸入電壓降至比電源輸出電壓約高 1.7 V 的電壓，略高于 LT3081 的 1.5 V最高壓差。將 LT3081 穩(wěn)壓器上的壓降保持在剛好高于壓差的水平，可充分降低功耗，并消除對(duì)額外散熱器的需求。

圖2顯示復(fù)合穩(wěn)壓器的效率和功耗，表明最壞情況下的總功耗為7 W，電路板在露天環(huán)境下時(shí)允許自由對(duì)流冷卻，而放在外殼中時(shí)只需要一個(gè)小風(fēng)扇。

圖 2. 36 V 輸入和各種輸出條件下的

直流臺(tái)式電源的效率和功耗

通常，降壓轉(zhuǎn)換器基于反饋分頻器調(diào)節(jié)輸出電壓，因此：

對(duì)于LT8612，VFB 為 970 mV。CN-0508 的反饋路徑經(jīng)過修改，可將降壓級(jí)輸出調(diào)節(jié)為高于下一級(jí)輸出 1.7 V，如圖 3所示。

圖 3. 預(yù)調(diào)節(jié)器反饋

進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，194 μA電流必須流經(jīng)R6，使FB引腳的電壓為 970 mV。然后通過VPRE向Q1的基極施加0.85 V (194 μA × 1 kΩ + VBE) 電壓，需要 VPRE 高于 VOUT× 0.85 V，使得R8 和R9上的電壓為0.85 V。

LT3081線性穩(wěn)壓器

降壓級(jí)后面是兩個(gè)LT3081線性穩(wěn)壓器。不管負(fù)載電流或輸入電壓如何變化，線性穩(wěn)壓器都可通過降低調(diào)整管上的過電壓提供恒定直流輸出電壓。線性穩(wěn)壓器通常用在降壓轉(zhuǎn)換器的輸出端，以很小的效率損失抑制開關(guān)電源紋波。如果輸出電壓接近輸入電壓，但不低于保持穩(wěn)壓所需的電壓（壓差），則這些器件可提供高效率。

LT3081 的特性包括短路保護(hù)、反向輸入保護(hù)以及熱關(guān)斷和遲滯與安全工作區(qū)(SOA)保護(hù)。LT3081 的 SOA 范圍得到擴(kuò)展，允許用于惡劣的工業(yè)和汽車環(huán)境，在這些環(huán)境中，輸入電壓的意外大尖峰會(huì)導(dǎo)致高功耗。

LT3081還包括可調(diào)限流/恒流功能，允許圖1中的電路在恒壓或恒流模式中運(yùn)行。內(nèi)部電流檢測(cè)放大器測(cè)量輸出電流，并從IMON引腳輸出ILOAD/5000 電流（如圖5所示），該電流則通過電阻1 kΩ轉(zhuǎn)換為200 mV/A信號(hào)。同樣，內(nèi)部溫度傳感器測(cè)量裸片溫度，并輸出1 μA/°C電流，該電流再次通過1 kΩ電阻轉(zhuǎn)換為1 mV/°C電壓輸出。

此外，LT3081還可輕松并聯(lián)以獲得更高的輸出電流，如圖4所示。兩個(gè)LT3081之間的所有相應(yīng)引腳都連接在一起，但OUT引腳除外，該引腳需要10 mΩ鎮(zhèn)流電阻來實(shí)現(xiàn)精確的均流，并將對(duì)輸出電壓精度的影響降至最低。

圖 4. LT3081 器件并聯(lián)

樹莓派平臺(tái)功率

LT8609 同步降壓穩(wěn)壓器直接由輸入插孔供電。它在高達(dá)3 A 電流下向樹莓派平臺(tái)板、LTC1983-5 電荷泵反相器和風(fēng)扇控制電路提供 5 V 電壓。輸出電流也足以驅(qū)動(dòng)大多數(shù)樹莓派兼容觸摸屏和其他外設(shè)，無需其他電源。

控制和診斷

輸出限流控制

EVAL-CN0508-RPIZ的0 A至3 A限流值由輸出和LT3081ILIM引腳之間連接的電位計(jì)設(shè)置。LT3081的限流功能配置為可在0至3 A標(biāo)稱范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。雖然限流值不是電子可編程的，但使用了雙聯(lián)電位計(jì)，從而允許在軟件中回讀限流值設(shè)置點(diǎn)。

輸出電壓控制

電源的輸出電壓通過 LT3081 的 SET 引腳調(diào)節(jié)。在圖 5 中，SET 引腳是誤差放大器的同相輸入，用于設(shè)置器件的工作偏壓點(diǎn)。連接到 SET 引腳的電壓成為 LT3081 上的誤差放大器和輸出電壓的基準(zhǔn)點(diǎn)。

圖 5. LT3081 功能框圖

LT3081通過SET引腳提供50 μA精確基準(zhǔn)電流，在SET引腳與地之間連接固定或可調(diào)電阻，即可根據(jù)基準(zhǔn)電流設(shè)置輸出電壓。但是，也可直接由電壓源驅(qū)動(dòng)SET引腳，這樣LT3081就成為高精度單位增益功率級(jí)。

EVAL-CN0508-RPIZ 的 0 V 至 27.5 V 可調(diào)輸出電壓可使用 5kΩ 電位計(jì)手動(dòng)設(shè)置，或使用 AD5683R數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)通過圖 6 所示的精密模擬 AND 電路以數(shù)字方式設(shè)置。

圖 6. 模擬 AND 函數(shù)

DAC的2.5 V滿量程輸出電壓和電位計(jì)的游標(biāo)連接到兩個(gè) LT6015 運(yùn)算放大器的輸入端，每個(gè)放大器的同相增益均為 11。如果 VDAC > VPOT，A2輸出端的二極管將反向偏置，而A1輸出端的二極管導(dǎo)通， VSET 為 VPOT × 11。

如果VPOT > VDAC，則相反。此模擬AND電路將輸出電壓降至DAC和電位計(jì)之間的較低輸出電壓。采用該配置，可通過手動(dòng)控制提供電子控制模式中的過壓故障保護(hù)。同樣，ADI公司提供的軟件也能夠在手動(dòng)控制模式中禁用或?qū)崿F(xiàn)電壓輸出時(shí)序控制。

請(qǐng)注意，許多運(yùn)算放大器不容許其輸入之間有很大的電壓差。此電路利用 LT6015 的獨(dú)特功能，在不造成損壞或沒有大量輸入電流流過的情況下，容許其輸入之間存在較大的壓差。

LT3092 電流源設(shè)置2 mA電流來驅(qū)動(dòng)模擬AND電路的輸出，從而確保D1或D2正向偏置以保持反饋。

LT6015可直接驅(qū)動(dòng)高達(dá)200 pF電容；添加一個(gè)由0.22 μF電容與150 Ω電阻串聯(lián)組成的緩沖器網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)算放大器就能夠在LT3081 SET引腳驅(qū)動(dòng)0.02 μF濾波電容。

0 V調(diào)節(jié)和0 A限制

只要輸出提供5 mA的最小負(fù)載電流，LT3081就可保證0 V的最小輸出電壓。具有較小負(fù)順從電壓的8 mA電流吸收器使用NPN晶體管和LTC1983-5電荷泵調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)。此外，此負(fù)電源也用作LT6015運(yùn)算放大器電路的電源，從而允許接地操作。

只要ILIM電阻降至200 Ω以下，LT3081就可保證此電源的最小限流值為0 A。將一個(gè)100 Ω的小電阻與ILIM電位計(jì)串聯(lián)，可盡可能擴(kuò)大調(diào)整范圍，并且在并聯(lián)使用兩個(gè)調(diào)節(jié)器時(shí)仍可保證零電流。

系統(tǒng)診斷

AD7124-4 24 位、Σ-Δ 型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)提供輸出電壓和輸出電流以及多個(gè)診斷參數(shù)的測(cè)量值。測(cè)得的參數(shù)見表 1。

表 1. 測(cè)得的參數(shù)

正常工作模式使用的主要測(cè)量值為輸出電壓和輸出電流，二者均由 ADC 測(cè)量。

限流設(shè)置點(diǎn)從限流電位計(jì)的位置推斷得出，并使用雙聯(lián)器件中的第二個(gè)電位計(jì)測(cè)量。此配置允許軟件顯示限流設(shè)置點(diǎn)，并在測(cè)得的輸出電流接近此設(shè)置點(diǎn)時(shí)提供警告標(biāo)記。

與限流設(shè)置點(diǎn)類似，電壓設(shè)置點(diǎn)也從雙聯(lián)器件中第二個(gè)電位計(jì)的位置推斷得出。ADI 軟件可使用此信息，在輸出電壓太低（表示過載）或太高（表示負(fù)載將反向電流驅(qū)動(dòng)到電源）時(shí)提供警告標(biāo)記。

另外還測(cè)量?jī)蓚€(gè) LT3081 器件的溫度監(jiān)視器引腳。盡管LT3081 器件中的功耗一直較低，但在高電流和氣流受限的情況下工作仍可能會(huì)導(dǎo)致溫度過高。

其他測(cè)量值用于診斷目的，軟件可使用這些值指示故障情況。例如，如果輸入電壓降至 28 V 以下，或 LDO 預(yù)調(diào)節(jié)電壓降至 1.6 V 以下、輸出以上，則軟件會(huì)發(fā)出警告；其中任一種情況都可能表示輸入電源或 CN-0508 本身出現(xiàn)故障。

風(fēng)扇控制電路

CN-0508 包括一個(gè)開關(guān) 5 V、<1 A 風(fēng)扇的自動(dòng)風(fēng)扇控制電路。ADCMP392 將兩個(gè) LT3081 溫度信號(hào)與 60 mV 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。比較器的輸出可以通過“線與”方式連在一起，如果其中一個(gè) LT3081 達(dá)到 60°C，則將使能 5 V 輸出。

圖 7. 風(fēng)扇控制電路

系統(tǒng)性能

負(fù)載調(diào)整率

理想情況下，無論負(fù)載如何，電源的輸出電壓都應(yīng)保持恒定。圖 8 顯示，當(dāng)負(fù)載電流從零增加到 2.5 A 時(shí)，CN-0508的負(fù)載調(diào)整幅度在 20 mV 內(nèi)，相應(yīng)的輸出電阻約為 8.8 mΩ。

圖 8. VOUT與 IOUT（負(fù)載調(diào)整）

恒壓/恒流轉(zhuǎn)換

圖9顯示輸出短路時(shí)CN-0508從恒壓模式轉(zhuǎn)變?yōu)楹懔髂Ｊ?。初始輸出電壓?25 V，負(fù)載電阻為 25 Ω。然后輸出短路，當(dāng)很小的 60 μF 輸出電容放電時(shí)，電流在不到 200 μs 內(nèi)完 全降為零。此輸出電容比大多數(shù)商用電源的輸出電容小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此出現(xiàn)短路故障時(shí)必須消耗的存儲(chǔ)能量較少。當(dāng) LT3081 的電流調(diào)節(jié)環(huán)路在 2.5 ms 后進(jìn)入調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)，輸出電流上升到 2.75 A 限流設(shè)置點(diǎn)。

圖 9. 1 A 至 2.75 A 限流值

負(fù)載階躍瞬變

圖 10 顯示 CN-0508 對(duì) 1 A 至 2 A 負(fù)載階躍的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖 10. 1 A 至 3 A 瞬態(tài)響應(yīng)、 30 VIN、24 VOUT

輸出最初設(shè)置為25 V，負(fù)載為25 Ω，第二個(gè)25 Ω電阻瞬時(shí)接通。

散熱性能

圖 11 顯示 CN-0508 的溫升，在恒流模式下向 4 Ω 負(fù)載提供2.75 A 電壓，電路板水平放置在工作臺(tái)上方 2.5 cm 處，環(huán)境條件為 30°C 靜止空氣。即使在這種散熱較差的環(huán)境中，其中一個(gè) LT3081 的最高溫度也只有 92°C，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 125°C的工作溫度上限。將一個(gè) 40 mm、風(fēng)速為每分鐘 0.2 立方米(m3/min)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)向電路板（如在外殼中）可將最高溫度降低到 70°C。

圖 11. EVAL-CN0508-RPIZ 在 30 V 輸入、

向 4 Ω 負(fù)載提供 2.75 A 限流輸出時(shí)的熱圖像

常見變化

LT3081可以并聯(lián)，根據(jù)應(yīng)用需要可以將輸出電流能力提高到3 A以上。

通過將并聯(lián)LT3081和獨(dú)立LT8612分組，并為每個(gè)組提供預(yù)調(diào)節(jié)反饋電路，可產(chǎn)生額外的電壓和電流輸出。

電路評(píng)估與測(cè)試

EVAL-CN0508-RPIZ 使用Raspberry Pi Zero測(cè)試。有關(guān)完整設(shè)置詳情和其他重要信息，請(qǐng)?jiān)L問 CN0508 用戶指南。

設(shè)備要求

EVAL-CN0508-RPIZ 評(píng)估板

Globtek TR9CR3000T00-IM(R6B) 電源適配器

Raspberry Pi zero W

HDMI顯示器

HDMI 電纜

具有ADI公司KuiperLinux圖像的8 GB或更大的SD卡

各種功率電阻、電子負(fù)載或具有已知功耗的測(cè)試電路

萬用表

4 Ω、 50 W電阻

開始使用

按照CN0508 用戶指南用戶指南中的說明，在樹莓派SD卡上加載CN-0508圖像。

功能框圖

圖 12 所示為測(cè)試設(shè)置的功能框圖。

圖 12. 測(cè)試設(shè)置功能框圖

設(shè)置和測(cè)試

在CN-0508 40引腳連接器的反面安裝Raspberry Pi Zero W。

確保配置ADI Kuiper Linux SD卡以使用CN-0508設(shè)備樹覆蓋。

將SD卡插入Raspberry Pi Zero W。

啟動(dòng)時(shí)，IIO示波器自動(dòng)運(yùn)行，并顯示CN-0508插件控制面板，如圖13所示。

將萬用表連接到CN-0508的輸出端子。

將恒流控制電位計(jì)設(shè)置為最大值（完全順時(shí)針），將電壓控制設(shè)置為零（完全逆時(shí)針）。

將DAC設(shè)置為所需輸出電壓，注意輸出保持為零。

在輸出端連接一個(gè)4 Ω、50 W電阻。

將輸出電壓設(shè)置為8 V（輸出電流應(yīng)顯示為2 A）。

降低限流控制直至輸出電流顯示為1 A，表示電路已進(jìn)入恒流模式。進(jìn)一步降低負(fù)載電阻，或使輸出完全短路，對(duì)輸出電流都沒有影響。

圖 13. IIO 示波器插件接口

原文轉(zhuǎn)自亞德諾半導(dǎo)體