淺談單片機(jī)電源模塊設(shè)計(jì)

1、淺談單片機(jī)電源模塊設(shè)計(jì)引言特種單片開關(guān)屯源冇兩種設(shè)計(jì)方案：第一種是采用通用單片開關(guān)屯源集成屯路（例如topswitch- ii、 topswitch-fx. topswitch-gx等系列），再配上電壓控制壞、電流控制壞等外圍電路設(shè)計(jì)而成的， 其特點(diǎn)是輸出功率較大，但外圉電路復(fù)雜；第二種是采用最近問壯的linkswitch系列高效率恒jk / «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,這樣可 大大簡化屯路，降低成木，適合構(gòu)成中、小功率的特種開關(guān)屯源。1 2.5w恒壓/恒流式充電器模塊下而介紹-種由lnk500構(gòu)成

2、的2.5w恒壓/恒流式充電器模塊。它適用丁手機(jī)電池充電器、個(gè)人數(shù) 字助理（pda,即personal digital assistant）.便攜式音頻設(shè)備、電動(dòng)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(diǎn)和技術(shù)指標(biāo)1）采用高效率怛壓/恒流式單片開關(guān)電源lnk500,交流輸入電壓范圍是85265v,當(dāng)交流輸入電 壓為265v時(shí)，漏電流<5|ja,額定輸出電壓為5.5v,最人輸出電流為0.45a,輸出功率為2.5w。2）低功耗，高效率，空載功耗v0.3w,電源效率的典型值r）=68%。3）在峰值功率點(diǎn)，允許輸出電壓冇±10%的誤差，當(dāng)初級(jí)電感tt

3、lp的誤差為±10%時(shí)，輸出電流冇±25 %的誤差。4）電路簡單，價(jià)格低廉，該電源僅需23個(gè)元器件，不謂要次級(jí)反饋電路，用初級(jí)電路即可實(shí)現(xiàn)恒流 /恒壓輸出，允許采用低價(jià)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）符介電磁兼容性國際標(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(jì)由lnk500構(gòu)成2.5w恒壓/恒流式充電器模塊的內(nèi)部屯路如圖1所示。fr為可鬥恢復(fù)熔斷電阻器， 它貝有限流保護(hù)作用并能限制上電時(shí)的沖擊電流。由vd1-vd4構(gòu)成橋式整流，由電感l(wèi)1> l2和電容c1、 c2組成低功耗

4、tt型濾波器,能濾除電磁干擾。l2可采用3.3ph的磁珠。在lnk500內(nèi)部功率mosfet 導(dǎo)通時(shí)，輸出整流管vd6截止，此時(shí)電能就儲(chǔ)存在高頻變壓器屮。當(dāng)功率mosfet關(guān)斷時(shí)，vd6導(dǎo)通， 儲(chǔ)存在高頻變壓器中的能量就通過次級(jí)電路輸出。vd6釆用1a/100v的肖特基二極管sb1100, r4丹i c7并聯(lián)在vd6兩端，能防止vd6在爲(wèi)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22kq 的負(fù)載電阻。圖12.5w恒壓/恒流式充電器模塊的內(nèi)部電路iii r1、c3和vd5構(gòu)成的rcd型箝位電路具冇以下功能:1）當(dāng)功率mosfet關(guān)斷時(shí)，對(duì)初級(jí)感應(yīng)電壓進(jìn)行箝位；2) 能簡化反饋電路的設(shè)

5、計(jì)?？刂贫说姆答佂土饔赏妥鑢2來設(shè)定。剛啟動(dòng)電源時(shí)山控制端電容c4給lnk500供電，c4還決定了 自動(dòng)重啟動(dòng)頻率。為了降低電磁干擾，高頻變壓器的初級(jí)設(shè)計(jì)了兩個(gè)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(jí)返回端，能降低初級(jí)電路中的電磁干擾。此外，在初、 次級(jí)之間還需增加屏蔽層。lnk500只適合在不連續(xù)模式下工作，其輸出功率山式(1)確定。po«0.5nlpip2f (1)式中：p0為輸出功率；n為電源效率；lp為高頻變壓器的初級(jí)電感；ip為lnk500的峰值電流；f為開關(guān)頻率。不難看出,p0與lp成正比,

6、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(jí)繞組np1用(p0.13mm漆包線繞90匝，np2 hj(p0.16mm漆包線繞22匝，次級(jí)繞組川兩股(p0.25mm的三重絕緣線繞5匝。在初、次級(jí)繞組之間用3 股(p0.25mm漆包線繞5匝，作為屏蔽層。初級(jí)電感m 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。u=85v if=265v上限f限、卜.-一 - jx j : :1:、 1i3一一 86§40100200300400500600010圖2

7、2.5w充電器的恒壓/恒流輸出特性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(diǎn)以太m(ethernetnetwork)是11前最常用的-種丿域網(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(shí)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)電源屮的電源 裝置簡稱為pd,它具有以下特點(diǎn)：能提供pd檢測(cè)與分類信號(hào)；能提供到dc / dc電源變換器的軟卅動(dòng)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(gè)基本功能。1) 能識(shí)別信號(hào)阻抗 當(dāng)一個(gè)輸入電壓加到pd時(shí)，它必須在規(guī)定電壓范圍

8、內(nèi)呈現(xiàn)正確的識(shí)別信號(hào)阻 抗。當(dāng)某個(gè)以太網(wǎng)設(shè)備請(qǐng)求供電時(shí)，首先給以太網(wǎng)發(fā)出2.510v的電壓信號(hào)，冇效的pd檢測(cè)到此電壓信號(hào)后，就將一個(gè)23.7526.25kq的電阻置于供電冋路上，電流會(huì)隨輸入電壓而變化；通過檢測(cè)該電流確 認(rèn)在以太網(wǎng)屯纜終端冇一個(gè)冇效的以太網(wǎng)設(shè)備需要供屯。如放置的屯阻值在4223.75kq或在26.25 45kq范圍內(nèi)，則認(rèn)為該以太網(wǎng)設(shè)備冇效但不需要供電。其他范圍的電阻值則意味著所檢測(cè)到的以太網(wǎng)設(shè)備 無效。2）類型 pd有不同的類型，每種類型対應(yīng)于一定的電流。例如，“0”類pd的電流為0.54ma。當(dāng) pd檢測(cè)有效信號(hào)之后，就對(duì)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

9、到15.5 -20.5v,使 pd獲得一個(gè)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)主要冇兩種，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%）。下而介紹一種帶以太網(wǎng)接口電路的同步整流式15wdc / dc電源變換器模塊，可廣泛用丁網(wǎng)絡(luò)及通信 設(shè)備中。2.215w以太網(wǎng)電源模塊的電路設(shè)計(jì)山雙極型開關(guān)管和dpa424p構(gòu)成15wpoe模塊的內(nèi)部電路如圖3所示。該電源山兩部分組成，即以 太網(wǎng)接口屯路（電路屮用虛線框農(nóng)示）和dc/dc電源變換器。模塊中包含poe識(shí)別信號(hào)阻抗（24.9kq, 直流2.510

10、v）、“0類”類型電路（0.54ma,直流1520v）。采用雙極型晶體管開關(guān)或mosfet開 關(guān)時(shí).poe接口的效率分別為287%或297%。vd.+33v 10ma&以女網(wǎng)電液棲口ia lph25avt tip29c.a1遼gdci lpf 100v519kcvdii 丄smbj 顯150i ci dpa424pvi isi4804!廠-；20060；vda -bm/1wssi4804tl- c, 4.7uf5 3 vdsl1 f 血1aac hljokqt220nf j+ qp?pfch 4.7pf vdi- vdt6bv 1n414814-+7v 0.4aki+5v2.4a|+

11、丨 c。100 pfcss100mfx4160qa kkgbav19ws圖3由雙極型開關(guān)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(gè)階段：在第一階段，當(dāng)輸入電壓加到pd時(shí)，它必須在直流2.5-10v的電壓范圍內(nèi)呈現(xiàn)正確的識(shí)別信號(hào)阻抗，電阻r13 （24.9kq）可捉供這個(gè)阻抗；在第二階段，當(dāng)直流輸入電壓為15-20v時(shí),pd用一個(gè)規(guī)定的屯流來識(shí)別裝置類型，例如“0類”電流范用是0.5ma4ma,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l該電源變換器允許輸入

12、超過30v (28v+ur14)的直流電壓。此時(shí)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，輔助繞組輸出的鬲 頻電床信號(hào)就經(jīng)過耦介屯容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(shí)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(shí)vdz4被反向擊穿，使v3導(dǎo)通，將電源開啟。當(dāng)輸入電用超過43v時(shí)vdz5也被反向擊穿，能限制v3的柵一源電壓，起到保護(hù)作用。r15能防止v3被誤導(dǎo)通

13、。該以太網(wǎng)電源模塊的識(shí)別信號(hào) 阻抗與輸入屯壓的關(guān)系曲線如圖5所示，識(shí)別電床范圍是2.510v。-nvdi.八28v 卜51egvd “15v vit?t irf530nrtn « 一圖4使用mosfet的開關(guān)電路qw/v儀圖5識(shí)別信號(hào)阻抗與輸入電壓的關(guān)系曲線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3675v, 3路輸岀分別為5v/2.4a. 7.5v/0.4a和20v/10ma,總輸出功率為 15.2w,開關(guān)頻率為

14、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路輸出電圧u0/v5 p7.520卩負(fù)駛愉；圍/%201000100100 3負(fù)載調(diào)整率si/%w±14十83十63路輸出電壓uo/v 5 7.5 20負(fù)載變化范用/% 20-100 0-100 100負(fù)載調(diào)整率si/% <±1 4+ 8 3+63）采用電容耦介式同步整流技術(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,"和

15、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=86.0va r1還能自動(dòng)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=13.3kq時(shí)，所設(shè)定的漏極極限電流ilimir=0.57ilimit=0.57x2.50a=1.425ao穩(wěn)床管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為頻變壓器提供最住復(fù)位。該電源以5v輸出作為主輸出，其他兩路輸出都是在此慕礎(chǔ)上獲得的。由ch, r11, r12和mos場(chǎng) 效應(yīng)管v2及w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(hào)時(shí), 通過下拉電阻r13使v2關(guān)斷

16、。儲(chǔ)能電感l(wèi)2冋掃繞組的電壓經(jīng)過vd4和c9整流濾波后，獲得20v輸出。 高頻變壓器次級(jí)繞組（8-5）的電壓經(jīng)過vd3和c40整流濾波后獲得7.5v輸出。將6.8v穩(wěn)圧管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(shí)輸出屯壓一口超過 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。止常工作時(shí), 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1215v的偏壓。r5、vd8和c16 組成軟啟動(dòng)電路，能防止在啟動(dòng)過程中輸出過沖。該屯源模塊的屯源效率與輸入屯壓的關(guān)系曲線如圖6所示。m/v&

17、#39;圖6電源效率與輸入電壓的關(guān)系曲線32.2.3 電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)1）采用雙極型功率開關(guān)管（vt）（1）選擇雙極型開關(guān)管vt,耍能承受較高的電圧并提供足夠的電流，其電流放大系數(shù)要足夠高。（2）選擇r14以捉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1020q）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型雙極型屮功率開關(guān)管，其主要參數(shù)如下：集電極一發(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=3.0mhzo2）采用功率mosfet （v3）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(shí)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(shí)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)床值以限制v3的最大柵一源電壓(典型值應(yīng)為15v)。(6) 推薦采用philips公司丫產(chǎn)的irf530