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單片機電源模塊設計

發(fā)布時間:2011-03-18

中心議題:

  • 基于單片機的電源模塊設計

解決方案:

  • 基于LNK500的2.5W恒壓/恒流式充電器模塊設計
  • 帶以太網(wǎng)接口的15WDC/DC電源變換器模塊設計

0  引言
特種集成開關電源主要包括以下5種類型:
1)復合型開關電源;
2)恒壓/恒流(CV/CC)型開關電源;
3)截流輸出型開關電源;
4)恒功率輸出型開關電源;
5)其他專用開關電源,例如高速調(diào)制解調(diào)器(HighSpeedModem)電源、DVD電源等。

特種單片開關電源有兩種設計方案:第一種是采用通用單片開關電源集成電路(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)等外圍電路設計而成的,其特點是輸出功率較大,但外圍電路復雜;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電源芯片,或選用LinkSwitch-TN系列、DPA-Switch系列單片開關電源專用 IC,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)等領域。

1.1  性能特點和技術(shù)指標
1)采用高效率恒壓/恒流式單片開關電源LNK500,交流輸入電壓范圍是85~265V,當交流輸入電壓為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±10%的誤差,當初級電感量Lp的誤差為±10%時,輸出電流有±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、輸出短路保護及開環(huán)保護功能。
6)符合電磁兼容性國際標準CISPR22B/EN55022B。

1.2  2.5W恒壓/恒流式充電器模塊的電路設計
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為可自恢復熔斷電阻器,它具有限流保護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。當功率MOSFET關斷時,VD6導通,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的負載電阻。


圖1    2.5W恒壓/恒流式充電器模塊的內(nèi)部電路


由R1、C3和VD5構(gòu)成的RCD型箝位電路具有以下功能:
1)當功率MOSFET關斷時,對初級感應電壓進行箝位;
2)能簡化反饋電路的設計。

控制端的反饋電流由電阻R2來設定。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。

PO≈0.5ηLPIP2f(1)

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為開關頻率。

不難看出,PO與LP成正比,IP2f的大小則受LNK500控制。

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±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。


圖2    2.5W充電器的恒壓/恒流輸出特性[page]


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、過電壓保護、過熱保護等功能。

根據(jù)POE規(guī)范,PD應具有以下3個基本功能:
1)能識別信號阻抗
當一個輸入電壓加到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。當某個以太網(wǎng)設備請求供電時,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在以太網(wǎng)電纜終端有一個有效的以太網(wǎng)設備需要供電。如放置的電阻值在12~23.75kΩ或在26.25~45kΩ范圍內(nèi),則認為該以太網(wǎng)設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)設備無效。
2)類型
PD有不同的類型,每種類型對應于一定的電流。例如,“0”類PD的電流為0.5~4mA。當PD檢測有效信號之后,就對PD進行分類。具體方法是將送到網(wǎng)絡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)開關連接
連接以太網(wǎng)電源的開關主要有兩種,一種是雙極型晶體管開關,其電源效率較高,成本較低;另一種為MOSFET開關,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)絡及通信設備中。

2.2  15W以太網(wǎng)電源模塊的電路設計
由雙極型開關管和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或MOSFET開關時,POE接口的效率分別為η≥87%或η≥97%。


圖3    由雙極型開關管和DPA424P構(gòu)成15WPOE模塊的內(nèi)部電路
 

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。在負半周時VD1導通,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)的開關電路。VDZ4及VDZ5分別采用28V及15V穩(wěn)壓管。當輸入電壓超過28V時VDZ4被反向擊穿,使V3導通,將電源開啟。當輸入電壓超過43V時VDZ5也被反向擊穿,能限制V3的柵-源電壓,起到保護作用。R15能防止V3被誤導通。該以太網(wǎng)電源模塊的識別信號阻抗與輸入電壓的關系曲線如圖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如下:
1)采用DPA424P型單片開關式穩(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,各路輸出的負載調(diào)整率指標見表1,

表1    各路輸出的負載調(diào)整率指標

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88%;
4)能精確設定輸入線路的欠電壓、過電壓值;
5)具有輸出過載保護、開環(huán)保護和過熱保護功能。

圖3中,輸入端EMI濾波器由C1,L1和C2構(gòu)成。R1為欠電壓值/過電壓值設定電阻,所設定的UUV=33.3V,UOV=86.0V。R1還能自動減小最大占空比,防止磁飽和。R2為極限電流設定電阻,取R2=13.3kΩ時,所設定的漏極極限電流ILIMIT′=0.57ILIMIT=0.57×2.50A=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上獲得的。由C11,R11,R12和MOS場效應管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。在沒有開關信號時,通過下拉電阻R13使V2關斷。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輸出的負載電阻,以改善空載穩(wěn)壓特性。空載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系曲線如圖6所示。

 

 

2.2.3  電路設計要點
1)采用雙極型功率開關管(VT)
(1)選擇雙極型開關管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gFS=11S,導通時間tON=36ns,關斷時間tOFF=12ns。

3  結(jié)語
特種集成開關電源的種類很多,還可以設計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電源、LinkSwitch-TN系列及DPA-Switch系列單片開關電源的問世,為實現(xiàn)中、小功率特種開關電源的優(yōu)化設計創(chuàng)造了有利條件。

 

 

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