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特種單片開(kāi)關(guān)電源模塊的電路設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2016-10-15 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:與傳統(tǒng)的相比,特種集成具有電路新穎、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)介紹了兩種新型模塊的,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15WDC/DC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(CV/CC)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 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-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LinkSwitch-TN系列、DPA-Switch系列單片開(kāi)關(guān)電源專用 IC[2],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 2.5W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85~265V,當(dāng)交流輸入電壓為265V時(shí),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(diǎn),允許輸出電壓有%26;#177;10%的誤差,當(dāng)初級(jí)電感量Lp的誤差為%26;#177;10%時(shí),輸出電流有%26;#177;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)CISPR22B/EN55022B。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201610/307531.htm
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1.2 2.5W恒壓/恒流式充電器模塊的 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(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(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22kΩ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)。 控制端的反饋電流由電阻R2來(lái)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; η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 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φ0.13mm漆包線繞90匝,NP2用φ0.16mm漆包線繞22匝,次級(jí)繞組用兩股 φ0.25mm的三重絕緣線繞5匝。在初、次級(jí)繞組之間用3股φ0.25mm漆包線繞5匝,作為屏蔽層。初級(jí)電感量LP=2.3mH(允許有%26;#177;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DC/DC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。 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2.5~10V的電壓信號(hào),有效的PD檢測(cè)到此電壓信號(hào)后,就將一個(gè)23.75~26.25kΩ的電阻置于供電回路上,電流會(huì)隨輸入電壓而變化;通過(guò)檢測(cè)該電流確認(rèn)在以太網(wǎng)電纜終端有一個(gè)有效的以太網(wǎng)設(shè)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(rèn)為該以太網(wǎng)設(shè)備有效但不需要供電。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(wú)效。

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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0.5~4mA。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15.5~20.5V,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(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15WDC/DC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DC/DC電源變換器。模塊中包含POE識(shí)別信號(hào)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(kāi)關(guān)或MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí),POE接口的效率分別為η≥87%或η≥97%。 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(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2.5~10V的電壓范圍內(nèi)呈現(xiàn)正確的識(shí)別信號(hào)阻抗,電阻R13(24.9kΩ)可提供這個(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)定的電流來(lái)識(shí)別裝置類型,例如0類電流范圍是 0.5mA~4mA,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DC/DC電源變換器上,該電源變換器允許輸入超過(guò) 30V(28V+UR14)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2.5~10V。 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(biāo)如下: 1)采用DPA424P型單片開(kāi)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(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/V 5 7.5 20 負(fù)載變化范圍/% 20~100 0~100 100 負(fù)載調(diào)整率SI/% ≤%26;#177;1 -4~+8 -3~+6 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(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。R1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=13.3kΩ時(shí),所設(shè)定的漏極極限電流ILIMIT′ =0.57ILIMIT=0.57%26;#215;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。 該電源以5V輸出作為主輸出,其他兩路輸出都是在此基礎(chǔ)上獲得的。由C11,R11,R12和MOS場(chǎng)效應(yīng)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(méi)有開(kāi)關(guān)信號(hào)時(shí),通過(guò)下拉電阻R13使V2關(guān)斷。儲(chǔ)能電感L2回掃繞組的電壓經(jīng)過(guò)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(guò)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(fù)載電阻,以改善空載穩(wěn)壓特性??蛰d時(shí)輸出電壓一旦超過(guò)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(shí),輔助繞組的輸出電壓經(jīng)過(guò)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(dòng)電路,能防止在啟動(dòng)過(guò)程中輸出過(guò)沖。 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。

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2.2.3 電路設(shè)計(jì)要點(diǎn) 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以提供足夠大的基極電流,確保能夠開(kāi)啟DC/DC電源變換器。 (3)選擇R16(典型值為10~20Ω)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)DS=100V,最大漏極功耗PDM=79W,漏-源通態(tài)電阻RDS(ON)=80mΩ,跨導(dǎo)gFS=11S,導(dǎo)通時(shí)間tON=36ns,關(guān)斷時(shí)間tOFF=12ns。 3 結(jié)語(yǔ) 特種集成開(kāi)關(guān)電源的種類很多,還可以設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)電源、LinkSwitch-TN系列及DPA-Switch系列單片開(kāi)關(guān)電源的問(wèn)世,為實(shí)現(xiàn)中、小功率特種開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)造了有利條件。



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