AN-202206:HJ35063應(yīng)用于寬電壓輸入非隔離正負(fù)輸出DC//DC電源

壹

概述

HJ35063是一款集BOOST變換器、BUCK變換器、電源反相器于一身的DC/DC變換控制器。內(nèi)部包括具有溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能的帶隙基準(zhǔn)源、比較器、一個(gè)占空比周期控制器、驅(qū)動(dòng)器和大電流輸出開關(guān)等，能夠輸出1.5A的開關(guān)電流，特殊加工的帶熱沉塊D08S2外殼封裝，可有效地降低器件的熱阻。常用于升壓變換器、降壓變換器、電源反相器的控制核心，只需要少量的外部元器件就能夠構(gòu)成DC/DC變換器。

貳

電原理圖

叁

典型應(yīng)用

1．降壓變換器

開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電源給電感和負(fù)載充電，開關(guān)管關(guān)閉時(shí)，因?yàn)殡姼猩?a href="http://www.ttokpm.com/tags/電流/" target="_blank">電流不能突變，電容上電壓不能突變的特性，由電感與輸出電容給負(fù)載充電，其中續(xù)流二極管起到了平滑電流，避免負(fù)載電流突變的作用，最終輸出電壓得以穩(wěn)定。

2．升壓變換器

開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，此時(shí)電源給電感充電，輸出電容給負(fù)載充電，開關(guān)管關(guān)閉時(shí)，電源與電感同時(shí)對(duì)輸出級(jí)充電得到一個(gè)高于電源電壓的輸出電壓。只要開關(guān)管導(dǎo)通關(guān)閉的頻率相對(duì)于負(fù)載的時(shí)間常數(shù)足夠高，負(fù)載上就能得到一穩(wěn)定的直流電壓輸出。

3．電壓反轉(zhuǎn)器

開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電源給電感充電，輸出電容給負(fù)載充電，開關(guān)管關(guān)閉時(shí)，由于電感上電流不能突變的特性，此時(shí)電感經(jīng)過(guò)續(xù)流二極管給負(fù)載充電，因?yàn)殡姼猩想娏鞯姆较蚺c電源充電時(shí)電流方向一致，輸出級(jí)為負(fù)電壓。只要開關(guān)管的導(dǎo)通關(guān)閉頻率相對(duì)于負(fù)載的時(shí)間常數(shù)足夠高，負(fù)載上就能得到一穩(wěn)定的直流電壓輸出。

肆

應(yīng)用注意事項(xiàng)

HJ35063只需要幾個(gè)簡(jiǎn)單的元器件就能完成升壓、降壓和電壓反轉(zhuǎn)的功能，但是在具體應(yīng)用時(shí)元器件參數(shù)的選擇是十分重要的，如果參數(shù)選擇不當(dāng)，則器件可能不能完成功能，甚至導(dǎo)致器件失效。

1.限流電阻：HJ35063的開關(guān)峰值電流為1.5A，而電流限制檢測(cè)端檢測(cè)電壓典型值為300mV，較小的限流電阻會(huì)使得器件HJ35063的限流保護(hù)峰值電流提高，器件能夠拉出較高的電流，但是也要注意限流電阻不能過(guò)小，以免檢測(cè)端峰值電流超過(guò)開關(guān)峰值電流，這可能使得器件失效。而較大的限流電阻使得器件檢測(cè)的峰值電流變得較小，器件輸出電流能力減小，但能夠改善輸出紋波。因此在具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的需求選擇合適的限流電阻。

2.續(xù)流二極管：主要起到單向?qū)щ?，防止回流，減少損耗的作用。在開關(guān)管關(guān)閉，電感對(duì)輸出級(jí)充電時(shí)，起到了平滑電流，避免負(fù)載電流突變影響系統(tǒng)正常工作的作用。一般應(yīng)選擇快速開關(guān)二極管例如1N4148等開關(guān)管。當(dāng)輸出電流較大時(shí)，更應(yīng)該選擇導(dǎo)通壓降低的肖特基勢(shì)壘二極管例1N5819，1N5822等，因其導(dǎo)通壓降低和正向額定電流大的特性，輸出電流的能力得到極大提升。

3.儲(chǔ)能電感：在降壓、升壓和電壓反轉(zhuǎn)三種電路中電感都起著對(duì)負(fù)載充電的作用，因此選擇合適的電感對(duì)于器件是否正常工作十分重要。對(duì)于要求輸出電流大的情況，應(yīng)該選擇繞線電感、工字電感和功率電感等能夠儲(chǔ)能的電感，還應(yīng)注意電感的直流阻抗參數(shù)，較大的直流阻抗會(huì)使得電感上的損耗增多，輸出能力下降，一般應(yīng)選擇mΩ級(jí)別直流阻抗的電感。電感的電感值對(duì)于輸出能力大小也影響很大，在電感磁路未飽和的情況下，電感值越小，則輸出能力越強(qiáng)。如果整個(gè)系統(tǒng)弱電磁干擾，則更應(yīng)該選擇具有磁路閉環(huán)的電感，以減小電感工作產(chǎn)生磁場(chǎng)對(duì)于系統(tǒng)的干擾。

4.定時(shí)電容：定時(shí)電容的大小會(huì)改變開關(guān)管的工作頻率，開關(guān)速度快則儲(chǔ)能電感在未飽和的情況下能夠拉出更大的電流。選擇定時(shí)電容參數(shù)時(shí)還一定要考慮負(fù)載的輕重，相同定時(shí)電容的情況下，負(fù)載越重則器件開關(guān)頻率越高，綜合考慮后要使得開關(guān)頻率在100Hz～100kHz之間，越接近100KHz器件的輸出電流能力越強(qiáng)。

5.輸出電容：輸出電容的大小能夠有效影響輸出信號(hào)的紋波，電容越大，輸出紋波越小。輸出電容大也會(huì)使得器件上電瞬間開關(guān)管的開關(guān)峰值電流增大，可能使得當(dāng)前狀態(tài)器件進(jìn)入限流狀態(tài)，這時(shí)就必須減小限流電阻的大小。當(dāng)電源電壓與輸出電壓的壓差變大時(shí)，輸出紋波也相應(yīng)變大，當(dāng)增大輸出電容仍然不能改善輸出紋波的情況下，可以通過(guò)在輸出級(jí)后加上一個(gè)LC濾波器來(lái)減小輸出紋波，這時(shí)電感仍應(yīng)該選擇直流阻抗小的電感以避免輸出損耗。

伍

應(yīng)用實(shí)例

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>

將+28V電源電壓轉(zhuǎn)換為±15V輸出，要求滿足輸出電流各達(dá)到300mA。

2.實(shí)驗(yàn)方法

應(yīng)用HJ35063的降壓功能與電壓反轉(zhuǎn)功能，使用評(píng)估板驗(yàn)證+28V轉(zhuǎn)±15V的功能，再搭配合適參數(shù)的外圍元器件以使得器件的輸出電流各達(dá)到300mA且穩(wěn)定工作。

3.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）分析器件工作原理，選擇合適的外圍器件。

根據(jù)需求輸出電流大的特點(diǎn)，限流電阻應(yīng)設(shè)置為較小值0.3Ω左右以避免因輸出電流大使得開關(guān)峰值電流較大導(dǎo)致器件HJ35063進(jìn)入限流態(tài)而不能正常工作。

二極管也不能選擇一般的快速開關(guān)二極管，而應(yīng)選擇正向電流能力強(qiáng)、擊穿電壓較大、導(dǎo)通壓降小的肖特基勢(shì)壘二極管，因?yàn)橐话愕墓鑠n結(jié)二極管其導(dǎo)通壓降在0.7V左右，而肖特基勢(shì)壘二極管導(dǎo)通壓降能做到0.3V左右甚至更小，這極大的減小了輸出在二極管上的損耗，提高了器件的輸出電流能力。

輸出電容應(yīng)選擇大電容以減小輸出級(jí)的紋波，如果紋波仍然較大，可以通過(guò)在輸出級(jí)添加一個(gè)LC濾波來(lái)減小紋波。

降壓功能電路上電感起抑制的作用，即開關(guān)頻率越低輸出能力越強(qiáng)，而電壓反轉(zhuǎn)電路上電感起提供輸出電流的作用，即開關(guān)頻率越快輸出能力越強(qiáng)。但是在同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，若兩部分的開關(guān)頻率不一致，在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)容易引起內(nèi)部電磁干擾。因此為了避免這部分電磁干擾的產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)時(shí)兩電路應(yīng)選擇一樣的開關(guān)頻率進(jìn)行多次試驗(yàn)，最終挑選出最合適的開關(guān)頻率。

電感是最重要的外圍參數(shù)，它的電感值、直流阻抗、額定電流等特性對(duì)于器件能否正常工作的影響十分重要。實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)使用多種參數(shù)元件并進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)，再次對(duì)外圍元器件參數(shù)的重要性進(jìn)行驗(yàn)證。

（2）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并優(yōu)化參數(shù)

結(jié)合分析實(shí)驗(yàn)時(shí)外部元件先使用限流電阻0.25Ω，220μH的功率電感，1500pF的定時(shí)電容，續(xù)流二極管選擇肖特基勢(shì)壘二極管1N5819，輸入、輸出電容選擇10μF、47μF的鉭電容，輸出各帶上一個(gè)50Ω的負(fù)載。上電后發(fā)現(xiàn)+28V降壓轉(zhuǎn)+15V路輸出300mA功能正常，而+28V電壓反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)-15V路輸出異常，此時(shí)萬(wàn)用表測(cè)量輸出電壓為-12V且輸出電壓在緩慢變化減小，即此時(shí)電壓反轉(zhuǎn)電路表現(xiàn)為輸出能力不足。

在分析中增大器件的開關(guān)頻率能夠增強(qiáng)反轉(zhuǎn)功能器件的輸出電流能力，而開關(guān)頻率最大只能設(shè)置100KHz且負(fù)載的輕重變化會(huì)影響器件的開關(guān)頻率。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)逐級(jí)減小定時(shí)電容以增大開關(guān)頻率來(lái)試驗(yàn)設(shè)置一個(gè)接近100KHz的開關(guān)頻率。當(dāng)設(shè)置定時(shí)電容為330pF時(shí)，測(cè)量帶載50Ω時(shí)開關(guān)頻率為87KHz左右，此時(shí)上電測(cè)試反轉(zhuǎn)電路能夠輸出-15V，300mA，但是在持續(xù)帶載工作后發(fā)現(xiàn)，-15V開始緩慢下降且檢測(cè)到此時(shí)電源電流達(dá)到了300mA左右，計(jì)算得到反轉(zhuǎn)電壓功能器件的輸出功率值與輸入功率值比僅為0.5左右，即有將近一般的能量消耗在了系統(tǒng)上。系統(tǒng)的熱功耗有將近4W，熱功耗嚴(yán)重導(dǎo)致了器件的性能隨著溫度的升高而下降，使得上電后一開始器件正常工作，而工作一段時(shí)間后器件出現(xiàn)了輸出能力下降的現(xiàn)象。與之相比計(jì)算降壓功能器件系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率為0.73左右，而+15V輸出能夠一直帶載輸出正常，對(duì)比得到系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率對(duì)于系統(tǒng)能否正常高效工作十分重要。

電壓反轉(zhuǎn)電路工作時(shí)對(duì)各個(gè)器件進(jìn)行測(cè)溫，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中器件HJ35063的發(fā)熱最為嚴(yán)重，即上述所說(shuō)消耗的4W能量都集中消耗在了器件的開關(guān)管上。要使得系統(tǒng)正常工作，則器件HJ35063的熱功耗必須降下來(lái)。

HJ35063的擴(kuò)展應(yīng)用中有著將開關(guān)管引出在外部的輸出擴(kuò)流應(yīng)用，只要選擇比器件內(nèi)集成的開關(guān)管性能更好的擴(kuò)流管，則器件的熱功耗就能夠下降。系統(tǒng)就能正常工作、輸出正常穩(wěn)定。

實(shí)驗(yàn)要求開關(guān)管電流能力強(qiáng)、開關(guān)頻率高，因此外接擴(kuò)流管選擇了特征頻率高的雙極型PNP三極管TIP42，對(duì)電路原理進(jìn)行重新布置測(cè)試。

擴(kuò)流應(yīng)用圖相比于典型應(yīng)用圖都多出了一個(gè)擴(kuò)流管、一個(gè)輸入電阻和一個(gè)發(fā)射極-基極偏置電阻，擴(kuò)流管有著擴(kuò)大輸出電流的能力，基極輸入電阻不能過(guò)大，電阻過(guò)大會(huì)使得電流能力減小，影響了器件的工作效率，發(fā)射極-基極偏置電阻也不能過(guò)高，因其有著泄放電流的能力，使得擴(kuò)流管能夠快速開通和關(guān)閉，減小了擴(kuò)流管的開通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間，減小了開通與關(guān)閉時(shí)擴(kuò)流管的損耗。

設(shè)置好擴(kuò)流部分后再次進(jìn)行上電測(cè)試，記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算得到轉(zhuǎn)換效率都得到了提高，觸摸器件發(fā)現(xiàn)降壓電路的擴(kuò)流管稍有熱量，電壓反轉(zhuǎn)電路的擴(kuò)流管發(fā)熱嚴(yán)重，電感也稍有熱量，但器件HJ35063已經(jīng)感受不到熱量，此時(shí)-15V，300mA輸出正常。

電壓反轉(zhuǎn)電路功能雖然正常，但是其輸出功率與輸入功率的轉(zhuǎn)換效率仍然較低，這使得器件的長(zhǎng)期工作能力不能得到保證，還應(yīng)對(duì)外圍元件參數(shù)進(jìn)行調(diào)試或添加散熱裝置，以此保證系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

結(jié)合過(guò)往實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)電感的參數(shù)仍然不是十分合適。而HJ35063的應(yīng)用外部電感電感值越小，輸出電流能力越強(qiáng)的特點(diǎn)。且輸出大電流時(shí)應(yīng)注意避免電感過(guò)小使得發(fā)生電感磁飽和的現(xiàn)象。

挑選電感值較小的電感進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)電感變小為150μH時(shí)，電源電流減小了10mA左右，轉(zhuǎn)換效率得到提高，而電感小于100μH時(shí)，電壓反轉(zhuǎn)電路輸出為-14.5V而不為-15V，這時(shí)電感已經(jīng)磁飽和不能正常工作。應(yīng)用電橋?qū)﹄姼械闹绷髯杩惯M(jìn)行測(cè)量，其直流阻抗測(cè)量值為0.5Ω左右，這代表電感自身也有不小的功耗，應(yīng)該使用直流阻抗更低的電感來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。電感阻抗要求達(dá)到毫歐級(jí)，一般為鐵芯繞線電感，且繞線越粗越短則直流阻抗越低，且要保證電感值在100μH以上以避免電感磁飽和。使用繞線絲0.7mm繞成的電感，對(duì)其直流阻抗進(jìn)行測(cè)量?jī)H為70mΩ，電感值為160μH，對(duì)原電感進(jìn)行替換后測(cè)量計(jì)算轉(zhuǎn)換效率再次得到了提高。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

經(jīng)過(guò)電路原理圖的改良與外圍元器件參數(shù)的改善，最終完成了+28V轉(zhuǎn)±15V，輸出電流300mA的要求，且器件能夠做到長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

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