一款通過USB獲取高效雙軌電源的設計

設計5V以外電源的小功率USB電路時，必須確定是使用獨立電池，還是使用來自主機的小型電源。如果電路需要大于5V的雙軌電源(如采用了基于運放的儀表放大器)，或必須用于便攜計算機如筆記本電腦上，則問題就更復雜了。
USB2.0標準規(guī)定了對連接設備的功率要求，即耗電最大100mA，視為小功率；耗電最大500mA，則視為大功率。本文所述電路原用于一個熱致發(fā)光(TL)儀器設計，設計中的微控制器、USB接口控制器，以及10個運放均作為小功率器件，從一個USB端口獲得全部電源。
設備的運行需要有高性能、低噪聲拾取，使系統(tǒng)射頻輻射盡可能低。在搭建電路以前，做過仿真與驗證，然后用于TL系統(tǒng)。本設計的吸引力在于，由于它采用的是常見元器件，提高了可重復性，同時降低了成本。

圖1

電路運行原理基于反激概念(圖1)，運行期間，一只小型變壓器受一只脈沖調制555非穩(wěn)電路的驅動，工作頻率在115kHz~300kHz。高工作頻率可以使電路的整體尺寸較小，同時提供相對較高的功率輸出以及良好的調節(jié)性，使輸出濾波更容易做到低紋波。
實際電路中用一只MOSFET來實現(xiàn)開關。圖1中，二極管對正的VOUT表現(xiàn)為正偏。將二極管和一個變壓器繞組極性反向，就獲得一個負的VOUT。電路工作在三個不同的相位。在相位一，開關閉合，因電流流過變壓器初級，能量以磁場形式存儲起來。二極管反偏，次級沒有電流流過。
在相位二，開關打開，二極管變成正偏，能量從磁場傳送給電容C。在相位三，能量的轉儲完成，在開關漏源電容中存儲的任何剩余電荷都被完全釋放。然后重復這個循環(huán)。
為更好地解釋電路的工作原理，比較簡單的辦法是假定恰在時間t=0以前，濾波器電容已經放電到標稱輸出電壓，而通過變壓器初級線圈的電流為零。t=0 時，開關閉合，電流開始流經初級線圈。這樣就會在次級線圈上產生一個電壓，極性如圖1所示。由于二極管是反偏，因此沒有次級電流流過，次級線圈相當于開路。變壓器初級端的作用就好比一個簡易裝的電感器。初級電流呈線性增加，公式如下：

在開關閉合期間，次級線圈上的感應電壓為nVCC。因此，二極管必須承受的最小反偏電壓為(nVCC+VOUT)。過了既定時間后，開關打開。在實際電路中，這相當于MOSFET被關閉。假設初級線圈中的電流在該時刻為IPK，則電感器中存儲的磁場能量就等于：

由于初級線圈與次級線圈之間的磁通量，當初級電路開路時，電感器中存儲的但正在崩潰的磁場在次級端中感應出了足夠高的電壓(》VOUT)，使二極管正偏。電流的初始值為I2=IPK/n。在二極管正偏期間，次級線圈上的電壓將為(VOUT+0.7)。這也可以看作初級端電壓向下變換為VOUT/n。因此，當開關打開時，它必須承受的實際電壓是：

這個公式強調了反激轉換器相對于有相當輸入輸出電壓的升壓轉換器的優(yōu)勢，即當開關打開時，降低了它必須承受的電壓。事實上，“關斷”周期的電壓降低到一個值，該值由變壓器線圈匝數比確定。這樣就可以使用較低擊穿電壓的MOSFET。另外，在升壓轉換器拓撲中，二極管必須同時承受“開啟”時的高電流，以及“關斷”時的高反向電壓。而在反激轉換器中，次級端的二極管在電流較低時(IPK/n)，需要承受高電壓。這樣就允許使用較小電容的二極管，從而獲得較快的開關速度，因而減少了能耗，提高了效率。
雖然這超出了我們的電流范圍，仍可以計算輸出電壓，方法是讓L1中的能量輸入量等于傳送給負載RLOAD的能量。穩(wěn)態(tài)時，輸出與開關的占空比D以及開關工作的頻率有關，即開路輸出電壓公式為：

在圖2的實際電路中，可以找到圖1基礎反激電路的所有元件。不過，這里做了一些微調，以實現(xiàn)更好的運行穩(wěn)定性。例如，配置兩只輸出二極管，這樣就可以獲得雙軌輸出。另外，正電壓軌反饋由R4和R5構成的分壓器采樣，其電平由電容C2做平順。普通的555非穩(wěn)態(tài)工作時也可能產生輸出波形，這是由于時序電容(C1)通過R1和R2的和，從VCC充電，并通過R2放電。在所使用的電阻值(即R2》》R1)下，占空比接近50%。充電/放電電壓被內部設定為 VCC/3和2VCC/3(即，如果在5V下運行，則分別為1.67V和3.33V)。沒有反饋時，圖2中給出的開環(huán)輸出電壓約為20V。

反饋工作原理如下：晶體管Q1關斷，直到其基極電壓(VBE)約為0.55V。這樣，輸出電壓可依照以下公式計算：

由于反激的作用，輸出電壓持續(xù)升高，Q1被驅動得更厲害，使其集電極電壓下降。由于集電極連接到555定時器的控制輸入端，其標稱的上限約為(2VCC/3)，于是使電容以相同的速率充放電，但處于一個狹窄的電壓區(qū)間。其效果是，同時減小了用于驅動MOSFET開關的輸出脈沖的開關次數。頻率與占空比(D)上的凈變動使VOUT下降，最終降低了反饋電壓，也減少了Q1的“導通”時間。
電路需謹慎設置的其中一項是反激變壓器。經過測試，多款自制變壓器的工作性能良好。最終確定的方案是重新使用一個RFI抑制電感的磁芯，它主要出現(xiàn)在電視機開關電源的電源輸入端。變壓器初級采用多股繞線，以減少串聯(lián)電阻。例如，使用四股0.3mm絕緣銅線，緊密纏繞七匝，所得初級電感為30μH，測得電阻為0.03Ω。較低的線圈電阻減少了電感器在開關時產生的焦耳熱，從而達到更高的效率。RS-Electronics(RS庫存號647-9446，由Epcos生產)現(xiàn)有一款適用的、市場上可以買到的鐵氧體磁芯和繞線骨架套件。
進一步的優(yōu)化做法是，D1和D2采用大電流、高速、低正向壓降的肖特基二極管。在MOSFET的柵極另加一只反偏二極管，以減少RFI。5VUSB線上加一個100mH扼流圈，也進一步降低了開關噪聲。

圖3 顯示了轉換器的上電瞬態(tài)響應

鑒于我們設計的目的，USB端口被作為一個5V電源，串接了一個10Ω電阻，以防最差情況下的500mA電流。100μF的去耦電容C5用于防止在電源軌中產生開關噪聲。在負載為50Ω時，測得的輸出效率大約為72%，輸出電壓跌至±7.6V。輸出也成功地連接到78L05等線性穩(wěn)壓器以獲得其它電壓。在設計方面，可以進一步優(yōu)化之處是用軟件控制輸出的切換。這里我們不做細述，但用一個獨立的有源晶體管調節(jié)555的開或關的方法可以實現(xiàn)待機或激活操作。