便攜式B超電源設(shè)計(jì)方案解析

便攜式B超系統(tǒng)內(nèi)部使用的電源比較復(fù)雜，外部適配器和電池的電源必須經(jīng)過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換，以轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)需要的電壓。為了降低電源上的無(wú)用消耗，提高電池使用效率，系統(tǒng)主板、B超控制板、液晶顯示器以及鍵盤的電源采用開關(guān)電源供電。

便攜B超電源的整體設(shè)計(jì)

圖1為便攜B超電源的整體設(shè)計(jì)方框圖。便攜B超電源輸入電壓有兩種：一是電源適配器輸入，電壓為18V，二是電池輸入，電壓為14.4V。要求實(shí)現(xiàn)兩種電壓之間的熱切換，并在切換電壓時(shí)不影響系統(tǒng)工作，即提供外電和電池供電無(wú)延時(shí)熱切換功能。需要輸出±12V、5V、3.3V、±48V等幾種電壓，具體指標(biāo)為12V/2.5A、-12V/0.5A、5V/4A、3.3V/3A、+48V/80mA、-48V/80mA。具有單鍵開關(guān)機(jī)功能，即無(wú)電時(shí)，按電源鍵打開電源；在有電時(shí)，按電源鍵向控制面板發(fā)送關(guān)機(jī)信號(hào)，上位機(jī)還可以通過(guò)軟件關(guān)機(jī)（即支持ATX關(guān)機(jī)指令）。電源輸出接口采用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)ATX接口。

圖1 便攜B超電源整體設(shè)計(jì)方框圖

電源切換電路的設(shè)計(jì)

便攜B超電源切換電路如圖2所示，在外接電源適配器時(shí)，電壓輸入交流18V，經(jīng)VD100、VD101二極管后，再經(jīng)R100、R107分壓加到N100A（LM193）電壓比較器的3腳（同相端）。電池輸入電壓是14.4V，經(jīng)R101、R108分壓后加到N100A（LM193）電壓比較器2腳（反相端）。由于3腳電壓高于2腳，因此N100A（LM193）1腳輸出高電平，使三極管V100導(dǎo)通，V101截至，場(chǎng)效應(yīng)管V105截至，POWER_IN+端得到的是外接電源適配器的18V電壓。當(dāng)沒(méi)有外接電源適配器時(shí)，或便攜B超機(jī)在使用過(guò)程中，外部交流電突然停電造成無(wú)法使用外接電源適配器時(shí)， N100A（LM193）的3腳電壓低于2腳，N100A（LM193）1腳輸出低電平，使三極管V100截至，V101導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管V105導(dǎo)通。電池電壓經(jīng)過(guò)導(dǎo)通的場(chǎng)效應(yīng)管V105的源、漏極，POWER_IN+端得到的是電池的14.4V電壓，實(shí)現(xiàn)了兩種電壓之間的熱切換。VD102、VD103在電路中起隔離作用，隔離外接電源適配器和電池供電。

圖2 電源切換電路

單鍵觸摸開關(guān)機(jī)電路的設(shè)計(jì)

便攜B超單鍵觸摸開關(guān)機(jī)電路如圖3所示，由外接適配器或電池來(lái)的POWER_IN+電壓，一路送到場(chǎng)效應(yīng)管Q100，準(zhǔn)備開機(jī)，另一路經(jīng)R104、VD104送到輕觸按鈕POWER-KEY2的一端。輕觸按鈕POWER-KEY2的另一端是接地的，當(dāng)按下輕觸按鈕POWER-KEY2時(shí)，三極管N106的基極被鉗位在低電平，N106導(dǎo)通，進(jìn)而N102也導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管Q100導(dǎo)通，由外接適配器或電池來(lái)的POWER_IN+電壓經(jīng)過(guò)導(dǎo)通的Q100的源、漏極，獲得POWER+電壓，給高、低壓電路供電，機(jī)器開機(jī)。在開機(jī)的同時(shí)，POWER+電壓經(jīng)過(guò)6V的穩(wěn)壓二極管使三極管N104導(dǎo)通，N104集電極為低電平，維持N106導(dǎo)通，保持開機(jī)狀態(tài)。

圖3 單鍵觸摸開關(guān)機(jī)電路

當(dāng)便攜B超機(jī)在開機(jī)狀態(tài)中，再一次按下按鈕POWER-KEY2時(shí)，光耦B101導(dǎo)通，光耦次級(jí)導(dǎo)通，反向器D101的4腳輸出低電平到控制面板，控制面板發(fā)出低電平關(guān)機(jī)指令POWER-OFF1，使光耦B100導(dǎo)通，進(jìn)而使三極管N103導(dǎo)通，N104截至，N104集電極的高電平使N106截至，導(dǎo)致場(chǎng)效應(yīng)管Q100截至，實(shí)現(xiàn)了關(guān)機(jī)。

當(dāng)上位機(jī)發(fā)出高電平的關(guān)機(jī)指令POWER-OFF時(shí)，也將使光耦B100導(dǎo)通，余下的過(guò)程和控制面板關(guān)機(jī)過(guò)程一樣。

低壓電源電路的設(shè)計(jì)

便攜B超低壓電源電路如圖4所示，主要有6個(gè)TI公司的TPS5430和1個(gè)美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的LM2576組成。6個(gè)TPS5430提供2組+12V、+5V、+3.3V的電壓，其中一組給便攜B超機(jī)的主控板供電，另外一組用于給便攜B超中的電腦供電。這兩組是完全一樣的，因此，我們只給出了其中一組的供電原理圖。LM2576負(fù)責(zé)產(chǎn)生-12V電壓給便攜B超中的電腦。

圖4 低壓電源電路

TPS5430有5.5～36V的寬電壓輸入范圍，連續(xù)的3A的電流輸出能力（峰值達(dá)4A），轉(zhuǎn)換效率達(dá)95%。8引腳小型貼片封裝，芯片背部是金屬散熱片，使用的時(shí)候一定要焊接到地，做PCB封裝的時(shí)候?qū)⑸崞?dāng)成第9腳。不需要再接散熱裝置，利用電路板本身散熱就可以取得很好的效果，特別適合便攜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)使用。TPS5430的1腳是BOOT端，需要在BOOT和8腳PH間接0.01μF的低ESR電容。2、3腳是空端，4腳VSENSE是調(diào)整器的反饋電壓端，接輸出電壓的分壓電阻端，來(lái)取得輸出電壓的反饋。5腳ENA是電源ON/OFF控制端，當(dāng)此腳電壓低于0.5V以下時(shí)，本芯片將關(guān)閉電源轉(zhuǎn)換，供電電流減少到18μA，懸空的時(shí)候使能，芯片正常工作，我們沒(méi)有對(duì)此腳控制，因此懸空沒(méi)接。6腳接地，7腳VIN是電源供電端，接POWER+。在電源供電和地間接一個(gè)高質(zhì)量、低ESR的陶瓷電容。8腳PH是內(nèi)部功率場(chǎng)效應(yīng)管的源極，外部連接續(xù)流二極管和電感。第9腳PowerPad端是芯片背部散熱金屬片，必須連接到地（GND）上。

TPS5430的輸出電壓值是由其4腳的分壓電壓值決定的，輸出電壓Vout=（1.221+（R1×1.221）/R2）V。其中，R1是分壓上電阻，R2是分壓下電阻。對(duì)于TPS5430的設(shè)計(jì)，R1可以取10kΩ，R2則能根據(jù)要獲得的輸出電壓來(lái)計(jì)算。根據(jù)圖4給出的R206（1.11K）、R208（3.07K）、R210（5.36K），我們可以計(jì)算出輸出電壓分別是12.2V、5.2V、3.5V，比設(shè)計(jì)值略高0.2V，負(fù)載比較重，帶載的時(shí)候電壓正好合適。

N208（LM2576-12）是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的產(chǎn)品，1腳是電源供電端，接POWER+；2腳是輸出端，外接續(xù)流二極管和電感；3腳是接地端，5腳是電源ON/OFF控制端，由于要輸出負(fù)電壓，因此3、5腳沒(méi)有接地而是接-12V電源上了；4腳是電壓反饋端，我們使用固定12V輸出的LM2576-12，故4腳接地，不需要接反饋電阻分壓。

高壓電源電路的設(shè)計(jì)

便攜B超高壓電源電路如圖5所示，使用DC/DC變換器。UA3843是專門用于DC/DC變換器應(yīng)用的高性能、固定頻率、電流模式控制器，為設(shè)計(jì)者提供使用最少外部元件的高性價(jià)比的解決方案。其分PWM控制、周波電流限制、電壓控制等幾部分。

圖5 ±48V電源電路

1 PWM控制

POWER+經(jīng)過(guò)電阻R34為N1（UA3843）的7腳提供電壓，N1的4腳外接R36、C33與內(nèi)部電路形成的鋸齒波振蕩器開始工作。PWM脈沖由N1的6腳輸出，控制MOSFET V9的導(dǎo)通時(shí)間，決定輸出電壓的高低。R37用于抑制寄生振蕩，通常串聯(lián)在靠近MOSFET柵極處。柵極電阻R37不能太大，它直接影響PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)MOSFET輸入電容的充放電，即影響MOSFET的開關(guān)速度。開關(guān)變壓器的次級(jí)第9、10腳輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)VD14整流，C35、L7、C36濾波，形成+48V直流輸出電壓為B超探頭供電。開關(guān)變壓器的次級(jí)第7、6腳輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)VD13整流、C39、L8、C37濾波，形成-48V直流輸出電壓為B超探頭供電。VD12、C34、R38組成尖峰脈沖吸收電路，用于在開關(guān)管從導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止的瞬間抑制V9的漏極所產(chǎn)生的幅值極高的尖峰脈沖。其原理是：在V9截止的瞬間，其漏極產(chǎn)生的尖峰脈沖經(jīng)VD12、C34構(gòu)成充電回路，充電電流將尖峰脈沖抑制在一定的范圍內(nèi)，避免了V9被尖峰脈沖擊穿。當(dāng)C34充電結(jié)束后，C34通過(guò)R38放電，為下個(gè)周期再次吸收尖峰脈沖作準(zhǔn)備

2 周波電流限制

2腳FEED BACK是反饋電壓輸入端，此腳與內(nèi)部誤差放大器同相輸入端的基準(zhǔn)電壓（一般為+2.5V）進(jìn)行比較，產(chǎn)生控制電壓，控制脈沖的寬度，本電路將其接地，由內(nèi)部誤差放大器的輸出端1腳進(jìn)行控制。3腳的周波電流限制信號(hào)決定了PWM脈沖的寬度，即決定了輸出電壓的高低。N1（UA3843）3腳外接的R47、R48、R14、C32組成周波電流限制電路，在每一個(gè)振蕩周期中，當(dāng)開關(guān)電源脈沖變壓器L6初級(jí)的3～5繞組電感電流峰值達(dá)到設(shè)定值時(shí)就關(guān)閉PWM脈沖，設(shè)定值由N1（UA3843）的1腳COMP端電壓決定（1腳COMP是內(nèi)部誤差放大器的輸出端），通常此腳與2腳之間接有反饋網(wǎng)絡(luò)，以確定誤差放大器的增益和頻響。周波電流限制控制過(guò)程如下：開關(guān)管導(dǎo)通，電感電流上升，取樣電壓V3上升，當(dāng)3腳電壓大于1V時(shí)，內(nèi)部電流檢測(cè)比較器翻轉(zhuǎn)，內(nèi)部PWM鎖存器復(fù)位，關(guān)閉PWM脈沖，準(zhǔn)備進(jìn)入下周期。為消除電流限制電路尖波脈沖干擾，由R14、C32組成尖波濾波電路，以確保周波電流限制功能在每一個(gè)振蕩周期中都有效。R47、R48為限流取樣電阻，決定了整個(gè)開關(guān)變換器的最大輸出電流值，改變其阻值可以調(diào)整最大輸出電流。

3 電壓控制

N1（UA3843）是電流型脈寬調(diào)制器，有兩個(gè)閉環(huán)控制。電流取樣信號(hào)送到電流檢測(cè)比較器同相輸入端3腳，構(gòu)成電流閉環(huán)控制，誤差電壓送到內(nèi)部誤差放大器的輸出端1腳，其輸出送到電流檢測(cè)比較器反相輸入端作為比較基準(zhǔn)，構(gòu)成電壓閉環(huán)控制。由此看出，電壓閉環(huán)與電流閉環(huán)是相互作用的，兩者最后都通過(guò)電流檢測(cè)比較器來(lái)控制PWM鎖存器，即控制PWM脈沖的寬度。電壓閉環(huán)控制電路由電壓基準(zhǔn)N2（TL431A）、光電耦合器B4（TLP521）及電阻R31、VR7、R12、R32等元件組成。光電耦合器B4（TLP521）輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，送到內(nèi)部誤差放大器的輸出端1腳。N2（TL431A）誤差放大器內(nèi)部比較基準(zhǔn)為2.5V。電壓閉環(huán)穩(wěn)壓控制過(guò)程是：輸出電壓上升，TL431A基準(zhǔn)端VR上升，TL431導(dǎo)通上升，光電耦合器B4（TLP521）導(dǎo)通上升，1腳電壓下降，內(nèi)部電流檢測(cè)比較器翻轉(zhuǎn)提前，內(nèi)部PWM鎖存器復(fù)位提前，PWM脈沖變窄，輸出電壓變低，從而穩(wěn)定了輸出電壓。高壓輸出電壓值VOUT=（1+R31/（R12+VR7））Vref，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器VR7的值，可以使輸出調(diào)整在±48V，調(diào)節(jié)范圍是31×2.5=77.5V～（1+15）×2.5=32V。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了便攜式B超電源的設(shè)計(jì)，包括電源切換電路的設(shè)計(jì)、單鍵觸摸開關(guān)機(jī)電路的設(shè)計(jì)、低壓電源電路的設(shè)計(jì)及高壓電源電路的設(shè)計(jì)。在我們的便攜設(shè)備中很好的完成了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，可以應(yīng)用到其他便攜設(shè)備中。