便攜式B超系統(tǒng)內部使用的電源比較復雜,外部適配器和電池的電源必須經過DC/DC轉換,以轉換成系統(tǒng)需要的電壓。為了降低電源上的無用消耗,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電源供電。
便攜B超電源的整體設計
圖1為便攜B超電源的整體設計方框圖。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。要求實現兩種電壓之間的熱切換,并在切換電壓時不影響系統(tǒng)工作,即提供外電和電池供電無延時熱切換功能。需要輸出±12V、5V、3.3V、±48V等幾種電壓,具體指標為12V/2.5A、-12V/0.5A、5V/4A、3.3V/3A、+48V/80mA、-48V/80mA。具有單鍵開關機功能,即無電時,按電源鍵打開電源;在有電時,按電源鍵向控制面板發(fā)送關機信號,上位機還可以通過軟件關機(即支持ATX關機指令)。電源輸出接口采用標準計算機ATX接口。
圖1 便攜B超電源整體設計方框圖
電源切換電路的設計
便攜B超電源切換電路如圖2所示,在外接電源適配器時,電壓輸入交流18V,經VD100、VD101二極管后,再經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導通,V101截至,場效應管V105截至,POWER_IN+端得到的是外接電源適配器的18V電壓。當沒有外接電源適配器時,或便攜B超機在使用過程中,外部交流電突然停電造成無法使用外接電源適配器時, 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導通,場效應管V105導通。電池電壓經過導通的場效應管V105的源、漏極,POWER_IN+端得到的是電池的14.4V電壓,實現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
單鍵觸摸開關機電路的設計
便攜B超單鍵觸摸開關機電路如圖3所示,由外接適配器或電池來的POWER_IN+電壓,一路送到場效應管Q100,準備開機,另一路經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,當按下輕觸按鈕POWER-KEY2時,三極管N106的基極被鉗位在低電平,N106導通,進而N102也導通,場效應管Q100導通,由外接適配器或電池來的POWER_IN+電壓經過導通的Q100的源、漏極,獲得POWER+電壓,給高、低壓電路供電,機器開機。在開機的同時,POWER+電壓經過6V的穩(wěn)壓二極管使三極管N104導通,N104集電極為低電平,維持N106導通,保持開機狀態(tài)。
圖3 單鍵觸摸開關機電路
當便攜B超機在開機狀態(tài)中,再一次按下按鈕POWER-KEY2時,光耦B101導通,光耦次級導通,反向器D101的4腳輸出低電平到控制面板,控制面板發(fā)出低電平關機指令POWER-OFF1,使光耦B100導通,進而使三極管N103導通,N104截至,N104集電極的高電平使N106截至,導致場效應管Q100截至,實現了關機。
當上位機發(fā)出高電平的關機指令POWER-OFF時,也將使光耦B100導通,余下的過程和控制面板關機過程一樣。
低壓電源電路的設計
便攜B超低壓電源電路如圖4所示,主要有6個TI公司的TPS5430和1個美國國家半導體公司的LM2576組成。6個TPS5430提供2組+12V、+5V、+3.3V的電壓,其中一組給便攜B超機的主控板供電,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負責產生-12V電壓給便攜B超中的電腦。
圖4 低壓電源電路
[!--empirenews.page--]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4A),轉換效率達95%。8引腳小型貼片封裝,芯片背部是金屬散熱片,使用的時候一定要焊接到地,做PCB封裝的時候將散熱片當成第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,特別適合便攜產品的設計使用。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是調整器的反饋電壓端,接輸出電壓的分壓電阻端,來取得輸出電壓的反饋。5腳ENA是電源ON/OFF控制端,當此腳電壓低于0.5V以下時,本芯片將關閉電源轉換,供電電流減少到18μA,懸空的時候使能,芯片正常工作,我們沒有對此腳控制,因此懸空沒接。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高質量、低ESR的陶瓷電容。8腳PH是內部功率場效應管的源極,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。對于TPS5430的設計,R1可以取10kΩ,R2則能根據要獲得的輸出電壓來計算。根據圖4給出的R206(1.11K)、R208(3.07K)、R210(5.36K),我們可以計算出輸出電壓分別是12.2V、5.2V、3.5V,比設計值略高0.2V,負載比較重,帶載的時候電壓正好合適。
N208(LM2576-12)是美國國家半導體的產品,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,由于要輸出負電壓,因此3、5腳沒有接地而是接-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。
高壓電源電路的設計
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變換器應用的高性能、固定頻率、電流模式控制器,為設計者提供使用最少外部元件的高性價比的解決方案。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+經過電阻R34為N1(UA3843)的7腳提供電壓,N1的4腳外接R36、C33與內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的導通時間,決定輸出電壓的高低。R37用于抑制寄生振蕩,通常串聯在靠近MOSFET柵極處。柵極電阻R37不能太大,它直接影響PWM驅動信號對MOSFET輸入電容的充放電,即影響MOSFET的開關速度。開關變壓器的次級第9、10腳輸出的感應電動勢經VD14整流,C35、L7、C36濾波,形成+48V直流輸出電壓為B超探頭供電。開關變壓器的次級第7、6腳輸出的感應電動勢經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,用于在開關管從導通轉為截止的瞬間抑制V9的漏極所產生的幅值極高的尖峰脈沖。其原理是:在V9截止的瞬間,其漏極產生的尖峰脈沖經VD12、C34構成充電回路,充電電流將尖峰脈沖抑制在一定的范圍內,避免了V9被尖峰脈沖擊穿。當C34充電結束后,C34通過R38放電,為下個周期再次吸收尖峰脈沖作準備
2 周波電流限制
2腳FEED BACK是反饋電壓輸入端,此腳與內部誤差放大器同相輸入端的基準電壓(一般為+2.5V)進行比較,產生控制電壓,控制脈沖的寬度,本電路將其接地,由內部誤差放大器的輸出端1腳進行控制。3腳的周波電流限制信號決定了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,在每一個振蕩周期中,當開關電源脈沖變壓器L6初級的3~5繞組電感電流峰值達到設定值時就關閉PWM脈沖,設定值由N1(UA3843)的1腳COMP端電壓決定(1腳COMP是內部誤差放大器的輸出端),通常此腳與2腳之間接有反饋網絡,以確定誤差放大器的增益和頻響。周波電流限制控制過程如下:開關管導通,電感電流上升,取樣電壓V3上升,當3腳電壓大于1V時,內部電流檢測比較器翻轉,內部PWM鎖存器復位,關閉PWM脈沖,準備進入下周期。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振蕩周期中都有效。R47、R48為限流取樣電阻,決定了整個開關變換器的最大輸出電流值,改變其阻值可以調整最大輸出電流。
3 電壓控制
N1(UA3843)是電流型脈寬調制器,有兩個閉環(huán)控制。電流取樣信號送到電流檢測比較器同相輸入端3腳,構成電流閉環(huán)控制,誤差電壓送到內部誤差放大器的輸出端1腳,其輸出送到電流檢測比較器反相輸入端作為比較基準,構成電壓閉環(huán)控制。由此看出,電壓閉環(huán)與電流閉環(huán)是相互作用的,兩者最后都通過電流檢測比較器來控制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)輸出的電流信號轉化成電壓信號,送到內部誤差放大器的輸出端1腳。N2(TL431A)誤差放大器內部比較基準為2.5V。電壓閉環(huán)穩(wěn)壓控制過程是:輸出電壓上升,TL431A基準端VR上升,TL431導通上升,光電耦合器B4(TLP521)導通上升,1腳電壓下降,內部電流檢測比較器翻轉提前,內部PWM鎖存器復位提前,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,通過調節(jié)電位器VR7的值,可以使輸出調整在±48V,調節(jié)范圍是31×2.5=77.5V~(1+15)×2.5=32V。
結語
本文介紹了便攜式B超電源的設計,包括電源切換電路的設計、單鍵觸摸開關機電路的設計、低壓電源電路的設計及高壓電源電路的設計。在我們的便攜設備中很好的完成了設計指標的要求,可以應用到其他便攜設備中。