分享4個(gè)單個(gè)電源控制多個(gè)環(huán)路的案例

在電源調(diào)節(jié)過程中，盡管同時(shí)控制多個(gè)環(huán)路會存在一些問題，但如果我們能了解系統(tǒng)的約束條件，就可以想出一種可行的策略。

在我的職業(yè)生涯中，我設(shè)計(jì)的大多數(shù)電源都具有一個(gè)固定的可調(diào)節(jié)電壓，能夠單路輸入與單路輸出。然而在很多情況下，有必要調(diào)節(jié)的并不僅僅是輸出電壓。

例如，當(dāng)使用發(fā)光二極管(LED)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，我們通常能夠控制LED的電流。在電池充電器中，我們通常需要對充電電流進(jìn)行限制，直到電池達(dá)到一個(gè)預(yù)設(shè)的電壓閾值;然后再調(diào)節(jié)電壓。USB端口只能支撐與通過一定的電流量，具體電流量因不同應(yīng)用而異。在這些情況下，限制輸入電流是十分有必要的。能實(shí)現(xiàn)這些功能的例子有很多，下面讓我們參考以下幾個(gè)例子。

第一個(gè)例子是一款電池充電器 —— 其輸出電流在快速充電期間被調(diào)節(jié)到一定的電平。之后則主要由一個(gè)電壓環(huán)路來調(diào)節(jié)電池電壓。圖1展示了隔離反激式電池充電器的方框圖。

圖1：適合為電池充電的隔離反激式充電器

在運(yùn)行期間，只有一個(gè)控制環(huán)路處于工作狀態(tài)，因?yàn)檫@兩個(gè)環(huán)路是由D1通過邏輯運(yùn)算符“或”聯(lián)結(jié)而成的二極管。該辦法有幾大優(yōu)勢：第一，兩個(gè)環(huán)路都可提供非常精確的調(diào)節(jié)功能;第二，每個(gè)環(huán)路的都能獲得單獨(dú)的補(bǔ)償均，從而確保兩個(gè)環(huán)路的穩(wěn)定性。在電壓調(diào)節(jié)階段，功率級中有一個(gè)額外的電極(在電流調(diào)節(jié)階段不存在該電極)。然而，在快速的狀態(tài)變化期間，這種方法的不足之處也隨之顯現(xiàn)。

當(dāng)電源在電流調(diào)節(jié)模式下工作時(shí)，電壓放大器輸出電平可被電軌拉高。如果移除電池，那么電流會突然減小，電壓環(huán)路就需要接管控制任務(wù)。由于放大器和補(bǔ)償需要時(shí)間作出響應(yīng)，電源輸出會出現(xiàn)過沖的情況。如果補(bǔ)償被調(diào)整得可增加中頻帶環(huán)路增益，就能減小過沖。另一種選項(xiàng)是從放大器的輸出端添加一個(gè)額外的二極管用作參考(圖1，D2)。這有助于將放大器的輸出電壓鉗位到一個(gè)較低值，從而防止飽和并加快響應(yīng)速度。需要添加的單獨(dú)參考以及軟性電路是采用多個(gè)外部放大器的方法又一缺點(diǎn)，因?yàn)檫@會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。

第二個(gè)例子來自一種升壓型轉(zhuǎn)換器 —— 該轉(zhuǎn)換器專為從USB端口獲取功率而設(shè)計(jì)。USB端口可為不同類型的接口提供500mA、1A、1.5A甚至高達(dá)3A的電流。如果一種配件試圖汲取過大的電流，那么它會使總線超載并導(dǎo)致端口過熱或關(guān)斷主機(jī)設(shè)備。一種原始的方法是：在減小負(fù)載電流之前監(jiān)測輸入電壓并等待它降到低于某一閾值。這種方法雖然可行，但并不理想。如果該端口包含一個(gè)USB開關(guān)，那么這種方法可能導(dǎo)致該端口連續(xù)復(fù)位。如果電流不受限制，那么它會導(dǎo)致要獲取的功率超過主機(jī)可支持的范圍。解決這一問題的另一種方法與我們的電池充電器示例非常相似。但是，這一次我們將調(diào)節(jié)輸入電流和輸出電壓。圖2展示了輸入電流受限制的升壓型轉(zhuǎn)換器的方框圖。

圖2：可調(diào)節(jié)輸入電流的USB升壓型轉(zhuǎn)換器

該電路具有與第一個(gè)實(shí)例完全相同的優(yōu)勢和劣勢。值得特別注意的是，因?yàn)檫@是一款升壓型變換器，所以在擁有多個(gè)環(huán)路時(shí)補(bǔ)償問題尤為棘手。此外，在這種情況下，由于電流不是以接地(GND)作為參考的，故我們需要另添加一個(gè)電流檢測放大器。圖3展示了該電路能精確地調(diào)節(jié)輸出電壓和輸入電流的優(yōu)勢。輸出電壓經(jīng)過設(shè)置，可從一個(gè)USB輸入端(此處電壓為9V)進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外還展示了不同輸入電流調(diào)節(jié)設(shè)置(500mA、1.5A、1.8A和3A)的四條曲線。

圖3：輸入電流和輸出電壓都經(jīng)過了嚴(yán)格的調(diào)節(jié)

最后一個(gè)例子是能在啟動(dòng)過程中限制輸入電流、然后再調(diào)節(jié)輸出電壓的電路。當(dāng)有必要為電容器的大型輸出組充電時(shí)，這種類型的電路會非常有用。前面的兩個(gè)電路使用多個(gè)外部放大器來調(diào)節(jié)電流和電壓環(huán)路，并且大多數(shù)控制器都包括一個(gè)集成式電壓環(huán)路放大器(該放大器仍然可被利用)。圖4展示了如何用內(nèi)置的誤差放大器和補(bǔ)償器的輸出來減少必要外部零件數(shù)量。基本運(yùn)行原理是：電流環(huán)路處于工作狀態(tài)時(shí)，可拉低電壓放大器的輸出電平。當(dāng)電流環(huán)路處于非工作狀態(tài)時(shí)，它的輸出電平變高，并且不會影響正常運(yùn)行。需要指出的是，該方案仍然存在需要外部參考的這一缺點(diǎn)。

圖4：可為超級電容器充電的降壓型轉(zhuǎn)換器