特種單片開關(guān)電源模塊的電路設(shè)計

摘要：與傳統(tǒng)的開關(guān)電源相比，特種集成開關(guān)電源具有電路新穎、功能奇特、性能先進(jìn)、應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛等特點。詳細(xì)介紹了兩種新型特種單片開關(guān)電源模塊的電路設(shè)計，一種是2.5W恒壓/恒流式充電器模塊，另一種是帶以太網(wǎng)接口的15WDC/DC電源變換器模塊。 關(guān)鍵詞：單片開關(guān)電源;模塊;恒壓/恒流;以太網(wǎng)電源;同步整流 引言 特種集成開關(guān)電源主要包括以下5種類型[1]： 1)復(fù)合型開關(guān)電源; 2)恒壓/恒流(CV/CC)型開關(guān)電源; 3)截流輸出型開關(guān)電源; 4)恒功率輸出型開關(guān)電源; 5)其他專用開關(guān)電源，例如高速調(diào)制解調(diào)器(HighSpeedModem)電源、DVD電源等。 圖1 特種單片開關(guān)電源有兩種設(shè)計方案：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)計而成的，其特點是輸出功率較大，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[2]，這樣可大大簡化電路，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。它適用于手機電池充電器、個人數(shù)字助理(PDA，即Personal Digital Assistant)、便攜式音頻設(shè)備、電動剃須刀、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，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，允許輸出電壓有%26;#177;10%的誤差，當(dāng)初級電感量Lp的誤差為%26;#177;10%時，輸出電流有%26;#177;25%的誤差。 4)電路簡單，價格低廉，該電源僅需23個元器件，不需要次級反饋電路，用初級電路即可實現(xiàn)恒流/恒壓輸出，允許采用低價格、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 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，輸出整流管VD6截止，此時電能就儲存在高頻變壓器中。當(dāng)功率MOSFET關(guān)斷時，VD6導(dǎo)通，儲存在高頻變壓器中的能量就通過次級電路輸出。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。 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，對初級感應(yīng)電壓進(jìn)行箝位; 2)能簡化反饋電路的設(shè)計。 控制端的反饋電流由電阻R2來設(shè)定。剛啟動電源時由控制端電容C4給LNK500供電，C4還決定了自動重啟動頻率。 為了降低電磁干擾，高頻變壓器的初級設(shè)計了兩個繞組，分別為NP1及NP2。NP2被稱為"抵消繞組"(cancellation winding)，它經(jīng)過R3及C5接初級返回端，能降低初級電路中的電磁干擾。此外，在初、次級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。

式中：PO為輸出功率; η為電源效率; LP為高頻變壓器的初級電感; IP為LNK500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。 圖3 高頻變壓器采用EE13型磁芯，配8引腳的骨架。初級繞組NP1用φ0.13mm漆包線繞90匝，NP2用φ0.16mm漆包線繞22匝，次級繞組用兩股 φ0.25mm的三重絕緣線繞5匝。在初、次級繞組之間用3股φ0.25mm漆包線繞5匝，作為屏蔽層。初級電感量LP=2.3mH(允許有%26;#177;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。 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 以太網(wǎng)(EthernetNetwork)是目前最常用的一種局域網(wǎng)。以太網(wǎng)電源簡稱POE(Power Over Ethernet)，它僅通過一根以太網(wǎng)電纜即可同時為用戶提供數(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稱為PD，它具有以下特點： --能提供PD檢測與分類信號; --能提供到DC/DC電源變換器的軟啟動接口; --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個基本功能。 1)能識別信號阻抗 當(dāng)一個輸入電壓加到PD時，它必須在規(guī)定電壓范圍內(nèi)呈現(xiàn)正確的識別信號阻抗。當(dāng)某個以太網(wǎng)設(shè)備請求供電時，首先給以太網(wǎng)發(fā)出2.5～10V的電壓信號，有效的PD檢測到此電壓信號后，就將一個23.75～26.25kΩ的電阻置于供電回路上，電流會隨輸入電壓而變化;通過檢測該電流確認(rèn)在以太網(wǎng)電纜終端有一個有效的以太網(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檢測有效信號之后，就對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 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識別信號阻抗(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，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階段：在第一階段，當(dāng)輸入電壓加到PD時，它必須在直流2.5～10V的電壓范圍內(nèi)呈現(xiàn)正確的識別信號阻抗，電阻R13(24.9kΩ)可提供這個阻抗;在第二階段，當(dāng)直流輸入電壓為15～20V時，PD用一個規(guī)定的電流來識別裝置類型，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)電源模塊的識別信號阻抗與輸入電壓的關(guān)系曲線如圖5所示，識別電壓范圍是2.5～10V。 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) 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/% ≤%26;#177;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，所設(shè)定的漏極極限電流ILIMIT′ =0.57ILIMIT=0.57%26;#215;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)信號時，通過下拉電阻R13使V2關(guān)斷。儲能電感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，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組成軟啟動電路，能防止在啟動過程中輸出過沖。 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。

2.2.3 電路設(shè)計要點 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。 (2)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。 (3)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。 (4)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) (1)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時開啟V3。 (4)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)通時間tON=36ns，關(guān)斷時間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LED驅(qū)動電源、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，為實現(xiàn)中、小功率特種開關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計創(chuàng)造了有利條件。