主電源的降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器提供額外的輔助電源
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許多系統(tǒng)除了需要電源">主電源外還需要低功率電源。一個典型例子就是當(dāng)模擬前端放大器需要±5V電源時(shí)，主數(shù)字電路只需要+5V電源。由于成本、庫存管理、電磁兼容等原因，采用單獨(dú)的-5V轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)這個低功率電源也許并不合適，所以必須利用某些方法從主電源獲得額外的電源軌。
執(zhí)行降壓型轉(zhuǎn)換器IC的開關(guān)操作可以提供一個或多個隔離或非隔離的、準(zhǔn)穩(wěn)壓或非穩(wěn)壓的輸出，這樣就有可能得到大小等于主電源輸出電流10%至30%的輔助電源輸出電流。
首先回顧一下降壓轉(zhuǎn)換器的工作波形，以確定可用來產(chǎn)生額外輸出的電壓和電流(圖1)。在LX引腳上，轉(zhuǎn)換電壓波形的幅值范圍為：
(VIN(MAX)-VDIODE)＜VLX＜(VIN(MIN)-VDIODE)
在電源周期(LX連接VIN)內(nèi)，主電感L1上的電壓為：
(VIN(MAX)-VOUT)＜VIND＜(VIN(MIN)-VOUT)
圖1：利用降壓轉(zhuǎn)換器中的一定電壓和電流可產(chǎn)生額外的電源輸出。連續(xù)電感電流操作
當(dāng)電源開關(guān)斷開時(shí)，LX引腳上的電壓變成負(fù)值，從而導(dǎo)通二極管D1以確保電感上有連續(xù)電流。在D1上的電流下降到零之前，當(dāng)電源周期一開始連續(xù)電流操作就開始了。相關(guān)波形如圖2所示。如果知道與主要元件有關(guān)的各種RMS電流和電壓，則按以下方法計(jì)算功率消耗。
(1)計(jì)算內(nèi)部LX開關(guān)的功率消耗：
PSW=(ISW_RMS)2RON_SW
(2)計(jì)算IC的靜態(tài)功率消耗：
PI_QUIESCENT=VINIQUIESCENT
(3)計(jì)算肖特基二極管D1的功率消耗：
PDIODE=IDIODE_RMSVDIODE_FORWARD
(4)計(jì)算負(fù)載功率消耗：
PLOAD=RLOAD(ILOAD_RMS)2
其中，RON_SW等于數(shù)據(jù)表給出的內(nèi)部電源開關(guān)導(dǎo)通阻抗(從VIN引腳至LX引腳)，RLOAD為接至電源輸出的有效阻抗，IQUIESCENT為無開關(guān)操作時(shí)控制IC的靜態(tài)電流，IDIODE_RMS為肖特基二極管D1的正向RMS電流，VDIODE_FORWARD為肖特基二極管D1在額定電流下的正向壓降，ILOAD_RMS為負(fù)載RMS電流。
圖2：圖1電路的連續(xù)電感電流波形和相關(guān)等式示。當(dāng)從主降壓轉(zhuǎn)換器中獲取額外電源時(shí)，有一點(diǎn)非常重要，即主電源輸出一直處于負(fù)載狀態(tài)，而主電感在整個主降壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)載范圍內(nèi)始終保持導(dǎo)通。
電感的選擇
為確保在電感中有足夠的能量儲備，需要知道主電感上的電壓、工作頻率和電感電流紋波，以便設(shè)置主電感的值，而最大占空比和最小輸入電壓決定了主電感的最小值，如下所示：
其中：
IRIPPLE=%ILOAD(當(dāng)電感電流連續(xù)時(shí))
一般選擇紋波電流等于輸出電流的某一百分比，對于MAX5035選擇紋波電流等于輸出電流的30%。請注意，在出現(xiàn)非連續(xù)電流之前，紋波電流的大小決定最小負(fù)載電流。額外的輔助電源將提高對電源開關(guān)峰值電流的要求，從而要求限制輔助電源汲取的電流。
圖3：在這個反激電路中，輔助電源輸出以0V為參考(a)，或者以主電源正輸出為參考(b)。對許多應(yīng)用來說，評估套件中100μH和68μF輸出濾波器值的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置比較合適，且這些值可用于另外的電源。MAX5035具有固定的內(nèi)部第3類補(bǔ)償電路，該補(bǔ)償電路會對輸出電容的選擇帶來一定限制。此外，還要對電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)進(jìn)行選擇，以使“零”頻率出現(xiàn)在20kHz至40kHz之間。
圖4：次級負(fù)載引起初級電感電流發(fā)生變化。由主電感變壓器產(chǎn)生輔助電源輸出
由于初級電路中的肖特基二極管壓降相對恒定(根據(jù)電流大小，通常為300mV至500mV)，而控制器可調(diào)節(jié)輸出電壓，所以在電源開關(guān)斷開期間的電感壓降也相對恒定。通過連接次級整流器和電容以使二極管在反激(flyback)周期中導(dǎo)通，可從主電感處獲取一些能量。圖3顯示了這種配置的兩種電路。將輔助線圈與主降壓轉(zhuǎn)換電路隔離，可提供靈活的連接配置。圖3a給出了以地為參考的輔助電源輸出電路，而圖3b則是以主電源正輸出為參考的輔助電源輸出電路。輔助電源輸出的輸出電壓為：
VOUT2=N2/N1(VOUT+VDIODE)-VDIODE
其中N1為初級匝數(shù)，N2為次級匝數(shù)。
圖5：這個電路可產(chǎn)生一個由電荷泵衍生出的輔助電源負(fù)輸出。。二極管D2在內(nèi)部LX電源開關(guān)斷開時(shí)導(dǎo)通，因此輸出與輸入電壓的變化無關(guān)。選擇合適的電容C7以便在電源開關(guān)的最長閉合期間提供輸出。由于D1的正向壓降隨溫度和負(fù)載電流變化，所以次級輸出有2%至3%的變化。由于變壓器的N1和N2是直流隔離的，額外輸出可以以任何直流電壓為參考。
對于一個給定的電感值，主電路初級電感的非連續(xù)電流將限制輔助電源輸出端的次級功率。換句話說，D1在反激周期結(jié)束時(shí)必須保持導(dǎo)通。當(dāng)出現(xiàn)非連續(xù)電流時(shí)，D1的正向電流變?yōu)?，LX引腳上的電壓不再被箝制，從而有可能損壞主降壓轉(zhuǎn)換器IC。
當(dāng)內(nèi)部LX開關(guān)從閉合轉(zhuǎn)為斷開時(shí)，次級負(fù)載將引起初級電流發(fā)生變化。如圖4中所示，初級電流的階躍為：
IXTRA=PSEC(D×VLX)
其中，D為占空比，PSEC為次級功率，VLX為LX處峰值電壓的偏移。
原則上講，匝數(shù)比的選擇有很大靈活性，但實(shí)際上，標(biāo)準(zhǔn)1:1變壓器具有適當(dāng)電感值和峰值電流值，這使得1:1成為最常用的匝數(shù)比。
圖6：圖5電路中的電感和電荷泵產(chǎn)生的電流波形。需要注意額外負(fù)載是如何引起初級紋波電流變化的。圖4中的粗線簡略描述了具有有效輔助電源輸出的主電感電流波形的變化。總之，由主電感變壓器產(chǎn)生輔助電源輸出的優(yōu)勢在于：
1)具有正或負(fù)輔助電源輸出；2)準(zhǔn)穩(wěn)壓輔助電源輸出；3)輔助電源輸出與主電源輸出隔離，輔助電源輸出可以以地或主電源正輸出為參考；4)由主降壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)置電感值；5)使用現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)1:1變壓器。
缺點(diǎn)：1)初級紋波電流增大，增加了非連續(xù)電流的出現(xiàn)時(shí)間；2)輔助電源輸出有最小負(fù)載的要求；3)主電源正輸出有最小負(fù)載的要求以維持LX的開關(guān)操作。
圖7：C5、D2、C6和L2組成了一個SEPIC拓?fù)洹?/i>由電荷泵產(chǎn)生負(fù)輔助電源輸出
LX端電壓的偏移可被用來產(chǎn)生提供非穩(wěn)壓輔助負(fù)輸出的電荷泵的輸入源。由于LX處的電壓沒有與VIN的變化隔離，所以額外輸出為非穩(wěn)壓輸出。圖5給出了額外的電荷泵電路。
當(dāng)電源開關(guān)在電源周期開始時(shí)關(guān)閉，電流經(jīng)R6流過C7，并以斜坡形式開始流入電感L1(圖6)。當(dāng)D1在反激周期中導(dǎo)通時(shí)，C7內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移到C8和負(fù)載。R6是一個很重要的附加元件，它限制流過C7的峰值電流。如果沒有R6，電流值將超過電源開關(guān)的電流限制，導(dǎo)致電源周期的提前結(jié)束，甚至關(guān)閉被保護(hù)的降壓轉(zhuǎn)換器(如MAX5035)。由于R5和C7的存在，非穩(wěn)壓電荷泵的源電阻為：
其中占空比D為：
VOUT_MAIN等于主降壓轉(zhuǎn)換電路的輸出。
因此有：
確定非穩(wěn)壓電荷泵的源電阻使設(shè)計(jì)工程師可以評估負(fù)載變化時(shí)電荷泵的輸出電壓。電荷泵輔助電源的開路輸出電壓近似為：
-VAUX_OIC=VLX+VDIODE_1-VDIODE_2-VDIODE
這里假設(shè)C8上的電荷不會產(chǎn)生電壓毛刺(+20%)。
帶有負(fù)載電阻的電荷泵輔助電源輸出電壓為：
如果電容值在1至10μF的范圍內(nèi)，R1將成為主要的源阻抗。輸出紋波幾乎全部由C8的ESR引起。由于電荷泵為非穩(wěn)壓型，所以可能需要用線性穩(wěn)壓器連接輸出，以提供經(jīng)過調(diào)節(jié)的負(fù)輸出。這種配置的優(yōu)勢包括可以使用小型元件，且成本比1:1變壓器結(jié)構(gòu)電路更低。
然而，其缺點(diǎn)在于：
1)非穩(wěn)壓輸出，在輸出處需要額外的穩(wěn)壓器；2)要求很高的峰值電流(約為4×IOUT_AVE)以產(chǎn)生合適的輔助負(fù)載電流；3)只提供負(fù)的輔助電源輸出；4)只能以地為參考；5)輔助電源輸出具有最小負(fù)載的要求以免產(chǎn)生過電壓毛刺；6)主電源正輸出具有最小負(fù)載的要求以維持LX的開關(guān)操作。
SEPIC輔助電源
通過讓次級電感L2與主降壓轉(zhuǎn)換電路中的電感L1共享同一磁芯，并由此具有相同磁通量，也可從LX引腳上獲得負(fù)輸出。在圖7中，C5、D2、C6和L2組成一個單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)拓?fù)洹Ｔ贚X引腳上驅(qū)動正輸出降壓轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換信號，與驅(qū)動負(fù)輸出的信號具有相同電壓。在開關(guān)導(dǎo)通期間，L1上的電壓等于VLX-VOUT；在開關(guān)斷開期間，電壓等于VOUT+VDIODE_1。通過1:1變壓器，該電壓也被加到L2上，并與D2和C5一起產(chǎn)生VOUT輸出。由于L1和L2線圈耦合得并不非常理想，所以C5可以提供SEPIC連接并改善一般反激式輔助電源輸出的穩(wěn)壓效果。
這里需要選擇合適的耦合電容(C5)以使C5上電壓波紋很低，所選的C5值為輔助負(fù)載電流占空比和時(shí)鐘周期的函數(shù)。
若VIN=15V，紋波為1%，輸出電流為200mA，T=8μs(MAX5035)，DMIN=0.3，則有C5MIN=3.2μF。本例選擇10μF的C5MIN。
這一系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：1)準(zhǔn)穩(wěn)壓輸出；2)電感電流波形“干凈”，噪聲更??；3)由于采用耦合電感，紋波減少；4)只需單個的磁元件(現(xiàn)成的1:1變壓器)。
系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于：
1)只提供-VOUT；2)輸出以地為參考。
上述例子雖然選用了MAX5035，但也可以采用輸出電壓更低的MAX5033，但輸出電壓有所降低。以下是對三種技術(shù)的總結(jié)：
反激式輔助電源輸出：為讓輔助電源輸出的參考電壓完全獨(dú)立，在主降壓轉(zhuǎn)換電感中增加了線圈、肖特基二極管和電容的反激電路非常有吸引力，且輸出經(jīng)過了適當(dāng)穩(wěn)壓。通過采用1:1變壓器(對MAX5035采用的變壓器為Cooper Bussmann DRQ125-101)，輔助電源輸出可以等于以地或主VOUT為參考的±VOUT。輔助電源輸出電流最高可達(dá)主電源輸出電流的20%，但是主電感電流有一些失真。
電荷泵反相器：這是成本最低的一個方案(沒有額外的電感線圈)。由于高峰值電流和電壓與該拓?fù)湎嚓P(guān)，所以該方案適用于低功率輸出。開路時(shí)的輸出約為-VIN，并隨著輔助電源輸出上負(fù)載的增大而降低。建議最大負(fù)載為主電源正輸出的5%或更小。
耦合電感的SEPIC輔助電源輸出：該方案在接地系統(tǒng)上并不通用，耦合電感SEPIC拓?fù)鋬H提供以地為參考的穩(wěn)壓輸出-VOUT。穩(wěn)壓效果優(yōu)于反激式方案，且電感電流波形失真小。輔助電源輸出電流可達(dá)到主電源輸出的20%，耦合電感還有助于減小輔助電源輸出的紋波。
主電源正輸出必須始終保持在有效狀態(tài)，且主降壓轉(zhuǎn)換電感上必須有連續(xù)電流。輔助電源輸出要求額外的峰值電流，這點(diǎn)在考慮主電源輸出的最小負(fù)載和輔助電源輸出的最大負(fù)載時(shí)要特別注意。
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