特種單片開(kāi)關(guān)電源模塊的電路設(shè)計(jì)

1、特種單片開(kāi)關(guān)電源模塊的電路設(shè)計(jì)       摘要：與傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源相比，特種集成開(kāi)關(guān)電源具有電路新穎、功能奇特、性能先進(jìn)、應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛等特點(diǎn)。詳細(xì)介紹了兩種新型特種單片開(kāi)關(guān)電源模塊的電路設(shè)計(jì)，一種是2.5W恒壓恒流式充電器模塊，另一種是帶以太網(wǎng)接口的15WDCDC電源變換器模塊。     關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹_(kāi)關(guān)電源；模塊；恒壓恒流；以太網(wǎng)電源；同步整流引言特種集成開(kāi)關(guān)電源主要包括以下5種類型1：1）復(fù)合型開(kāi)關(guān)電源；2）恒壓恒流（CVCC）型開(kāi)關(guān)電源；3）截流輸出型開(kāi)關(guān)電源；4）恒功率輸出型開(kāi)關(guān)電源；5）其他

2、專用開(kāi)關(guān)電源，例如高速調(diào)制解調(diào)器（HighSpeedModem）電源、DVD電源等。圖1    特種單片開(kāi)關(guān)電源有兩種設(shè)計(jì)方案：第一種是采用通用單片開(kāi)關(guān)電源集成電路（例如TOPSwitch、TOPSwitchFX、TOPSwitchGX等系列），再配上電壓控制環(huán)、電流控制環(huán)等外圍電路設(shè)計(jì)而成的，其特點(diǎn)是輸出功率較大，但外圍電路復(fù)雜；第二種是采用最近問(wèn)世的LinkSwitch系列高效率恒壓恒流式三端單片開(kāi)關(guān)電源芯片，或選用LinkSwitchTN系列、DPASwitch系列單片開(kāi)關(guān)電源專用IC2，這樣可大大簡(jiǎn)化電路，降低成本，適合構(gòu)成中、小功率的特種開(kāi)關(guān)電源。1 2

3、.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(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）采用高效率恒壓恒流式單片開(kāi)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<5A，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68。3）在峰值功率點(diǎn)，允許輸出電壓

4、有±10的誤差，當(dāng)初級(jí)電感量Lp的誤差為±10時(shí)，輸出電流有±25的誤差。4）電路簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，該電源僅需23個(gè)元器件，不需要次級(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(guò)熱保護(hù)、輸出短路保護(hù)及開(kāi)環(huán)保護(hù)功能。6）符合電磁兼容性國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)CISPR22BEN55022B。    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)部電路如圖1所示。FR為可自恢復(fù)熔斷電阻器，它具有限流保護(hù)作用并能限制上電時(shí)的沖擊電流。由VD1VD4構(gòu)成橋式整流，

5、由電感L1、L2和電容C1、C2組成低功耗型濾波器，能濾除電磁干擾。L2可采用3.3H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)存在高頻變壓器中。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(guò)次級(jí)電路輸出。VD6采用1A100V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(kāi)關(guān)狀態(tài)下產(chǎn)生自激振蕩。C6為輸出端濾波電容。R5為22k的負(fù)載電阻。由R1、C3和VD5構(gòu)成的RCD型箝位電路具有以下功能：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(jiǎn)化反饋電路的設(shè)計(jì)?？刂贫说姆答侂娏饔呻娮鑂2來(lái)

6、設(shè)定。剛啟動(dòng)電源時(shí)由控制端電容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(guò)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，其輸出功率由式（1）確定。式中：PO為輸出功率；為電源效率；LP為高頻變壓器的初級(jí)電感；IP為L(zhǎng)NK500的峰值電流；f為開(kāi)關(guān)頻率。不難看出，PO與LP成正比，IP2f的大小則受LNK500控制。圖3  

7、  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0.13mm漆包線繞90匝，NP2用0.16mm漆包線繞22匝，次級(jí)繞組用兩股0.25mm的三重絕緣線繞5匝。在初、次級(jí)繞組之間用3股0.25mm漆包線繞5匝，作為屏蔽層。初級(jí)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。2 帶以太網(wǎng)接口的15WDCDC電源變換器模塊2.1 以太網(wǎng)電源的性能特點(diǎn)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(jiǎn)稱POE（Power Over Ethernet），它

8、僅通過(guò)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)電源中的電源裝置簡(jiǎn)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DCDC電源變換器的軟啟動(dòng)接口；-具有過(guò)電流保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、過(guò)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。2）類型 PD有不同的類型，每種類型對(duì)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)鏈路上的電壓升高到15.520.5V，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(kāi)關(guān)連接 連接以太網(wǎng)電源的開(kāi)關(guān)主要有兩種，一種

9、是雙極型晶體管開(kāi)關(guān)，其電源效率較高，成本較低；另一種為MOSFET開(kāi)關(guān)，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15WDCDC電源變換器模塊，可廣泛用于網(wǎng)絡(luò)及通信設(shè)備中。2.2 15W以太網(wǎng)電源模塊的電路設(shè)計(jì)由雙極型開(kāi)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DCDC電源變換器。模塊中包含POE識(shí)別信號(hào)阻抗（24.9k，直流2.510V）、"0類"類型電路（0.54mA，直流1520V）。采用雙極型晶體管開(kāi)關(guān)或MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)，POE接口的效率分別為87或97

10、。該以太網(wǎng)電源接口電路的工作過(guò)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2.510V的電壓范圍內(nèi)呈現(xiàn)正確的識(shí)別信號(hào)阻抗，電阻R13（24.9k）可提供這個(gè)阻抗；在第二階段，當(dāng)直流輸入電壓為1520V時(shí)，PD用一個(gè)規(guī)定的電流來(lái)識(shí)別裝置類型，例如"0類"電流范圍是0.5mA4mA，這也由R13來(lái)完成；在第三階段，通過(guò)雙極型開(kāi)關(guān)管（VT）將輸入電壓接到DCDC電源變換器上，該電源變換器允許輸入超過(guò)30V（28VUR14）的直流電壓。此時(shí)穩(wěn)壓管VDZ1被反向擊穿，通過(guò)R14給VT提供基極電流。R15的作用是防止在其他條件下開(kāi)啟電源。一旦開(kāi)啟電源，輔助繞組輸出的

11、高頻電壓信號(hào)就經(jīng)過(guò)耦合電容C3、整流管VD2和限流電阻R16來(lái)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(kāi)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(guò)28V時(shí)VDZ4被反向擊穿，使V3導(dǎo)通，將電源開(kāi)啟。當(dāng)輸入電壓超過(guò)43V時(shí)VDZ5也被反向擊穿，能限制V3的柵源電壓，起到保護(hù)作用。R15能防止V3被誤導(dǎo)通。該以太網(wǎng)電源模塊的識(shí)別信號(hào)阻抗與輸入電壓的關(guān)系曲線如圖5所示，識(shí)別電壓范圍是2.510V。DCDC電源變換器的主要性能指標(biāo)如下：1）采用DPA424P型單片開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器，構(gòu)成正激、

12、隔離式、3路輸出的DCDC電源變換器模塊。直流輸入電壓范圍是3675V，3路輸出分別為5V2.4A、7.5V0.4A和20V10mA，總輸出功率為15.2W，開(kāi)關(guān)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(fù)載調(diào)整率指標(biāo)見(jiàn)表1，表1 各路輸出的負(fù)載調(diào)整率指標(biāo)3路輸出電壓UO/V57.520負(fù)載變化范圍/201000100100負(fù)載調(diào)整率SI/±148363）采用電容耦合式同步整流技術(shù)，DCDC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(guò)電壓值；5）具有輸出過(guò)載保護(hù)、開(kāi)環(huán)保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)功能。圖3中，輸入端EMI濾波器由C1，L1和C2構(gòu)成。R

13、1為欠電壓值過(guò)電壓值設(shè)定電阻，所設(shè)定的UUV=33.3V，UOV=86.0V。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=13.3k時(shí)，所設(shè)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(fù)位。該電源模塊的電源效率與輸入電壓的關(guān)系曲線如圖6所示。    1）采用雙極型功率開(kāi)關(guān)管（VT）（1）選擇雙極型開(kāi)關(guān)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

14、極電流，確保能夠開(kāi)啟DCDC電源變換器。（3）選擇R16（典型值為1020）以限制在開(kāi)關(guān)過(guò)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(kāi)關(guān)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(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(kāi)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(yīng)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）D