主電源的降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器提供額外的輔助電源

執(zhí)行降壓型轉(zhuǎn)換器IC的開關(guān)操作可以提供一個(gè)或多個(gè)隔離或非隔離的、準(zhǔn)穩(wěn)壓或非穩(wěn)壓的輸出，這樣就有可能得到大小等于主電源輸出電流10%至30%的輔助電源輸出電流。

首先回顧一下降壓轉(zhuǎn)換器的工作波形，以確定可用來產(chǎn)生額外輸出的電壓和電流(圖1)。在LX引腳上，轉(zhuǎn)換電壓波形的幅值范圍為：

(V_IN(MAX)-V_DIODE)＜V_LX＜(V_IN(MIN)-V_DIODE)

在電源周期(LX連接V_IN)內(nèi)，主電感L1上的電壓為：

(V_IN(MAX) -V_OUT)＜V_IND＜(V_IN(MIN)-V_OUT)

圖1：利用降壓轉(zhuǎn)換器中的一定電壓和電流可產(chǎn)生額外的電源輸出。

連續(xù)電感電流操作

當(dāng)電源開關(guān)斷開時(shí)，LX引腳上的電壓變成負(fù)值，從而導(dǎo)通二極管D1以確保電感上有連續(xù)電流。在D1上的電流下降到零之前，當(dāng)電源周期一開始連續(xù)電流操作就開始了。相關(guān)波形如圖2所示。如果知道與主要元件有關(guān)的各種RMS電流和電壓，則按以下方法計(jì)算功率消耗。

(1)計(jì)算內(nèi)部LX開關(guān)的功率消耗：

P_SW=(I_{SW_RMS})²R_{ON_SW}

(2)計(jì)算IC的靜態(tài)功率消耗：

P_{I_QUIESCENT}=V_INI_QUIESCENT

(3)計(jì)算肖特基二極管D1的功率消耗：

P_DIODE=I_{DIODE_RMS}V_{DIODE_FORWARD}

(4)計(jì)算負(fù)載功率消耗：

P_LOAD=R_LOAD(I_{LOAD_RMS})²

其中，R_{ON_SW}等于數(shù)據(jù)表給出的內(nèi)部電源開關(guān)導(dǎo)通阻抗(從V_IN引腳至LX引腳)，R_LOAD為接至電源輸出的有效阻抗，I_QUIESCENT為無開關(guān)操作時(shí)控制IC的靜態(tài)電流，I_{DIODE_RMS}為肖特基二極管D1的正向RMS電流，V_{DIODE_FORWARD}為肖特基二極管D1在額定電流下的正向壓降，I_{LOAD_RMS}為負(fù)載RMS電流。

圖2：圖1電路的連續(xù)電感電流波形和相關(guān)等式示。

當(dāng)從主降壓轉(zhuǎn)換器中獲取額外電源時(shí)，有一點(diǎn)非常重要，即主電源輸出一直處于負(fù)載狀態(tài)，而主電感在整個(gè)主降壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)載范圍內(nèi)始終保持導(dǎo)通。

電感的選擇

為確保在電感中有足夠的能量?jī)?chǔ)備，需要知道主電感上的電壓、工作頻率和電感電流紋波，以便設(shè)置主電感的值，而最大占空比和最小輸入電壓決定了主電感的最小值，如下所示：

其中：

I_RIPPLE=%I_LOAD (當(dāng)電感電流連續(xù)時(shí))

一般選擇紋波電流等于輸出電流的某一百分比，對(duì)于MAX5035選擇紋波電流等于輸出電流的30%。請(qǐng)注意，在出現(xiàn)非連續(xù)電流之前，紋波電流的大小決定最小負(fù)載電流。額外的輔助電源將提高對(duì)電源開關(guān)峰值電流的要求，從而要求限制輔助電源汲取的電流。

圖3：在這個(gè)反激電路中，輔助電源輸出以0V為參考(a)，或者以主電源正輸出為參考(b)。

對(duì)許多應(yīng)用來說，評(píng)估套件中100μH和68μF輸出濾波器值的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置比較合適，且這些值可用于另外的電源。MAX5035具有固定的內(nèi)部第3類補(bǔ)償電路，該補(bǔ)償電路會(huì)對(duì)輸出電容的選擇帶來一定限制。此外，還要對(duì)電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)進(jìn)行選擇，以使“零”頻率出現(xiàn)在20kHz至40kHz之間。

圖4：次級(jí)負(fù)載引起初級(jí)電感電流發(fā)生變化。

由主電感變壓器產(chǎn)生輔助電源輸出

由于初級(jí)電路中的肖特基二極管壓降相對(duì)恒定(根據(jù)電流大小，通常為300mV至500mV)，而控制器可調(diào)節(jié)輸出電壓，所以在電源開關(guān)斷開期間的電感壓降也相對(duì)恒定。通過連接次級(jí)整流器和電容以使二極管在反激(flyback)周期中導(dǎo)通，可從主電感處獲取一些能量。圖3顯示了這種配置的兩種電路。將輔助線圈與主降壓轉(zhuǎn)換電路隔離，可提供靈活的連接配置。圖3a給出了以地為參考的輔助電源輸出電路，而圖3b則是以主電源正輸出為參考的輔助電源輸出電路。輔助電源輸出的輸出電壓為：

V_OUT2=N2/N1(V_OUT+V_DIODE)-V_DIODE

其中N1為初級(jí)匝數(shù)，N2為次級(jí)匝數(shù)。

圖5：這個(gè)電路可產(chǎn)生一個(gè)由電荷泵衍生出的輔助電源負(fù)輸出。。

二極管D2在內(nèi)部LX電源開關(guān)斷開時(shí)導(dǎo)通，因此輸出與輸入電壓的變化無關(guān)。選擇合適的電容C7以便在電源開關(guān)的最長(zhǎng)閉合期間提供輸出。由于D1的正向壓降隨溫度和負(fù)載電流變化，所以次級(jí)輸出有2%至3%的變化。由于變壓器的N1和N2是直流隔離的，額外輸出可以以任何直流電壓為參考。

對(duì)于一個(gè)給定的電感值，主電路初級(jí)電感的非連續(xù)電流將限制輔助電源輸出端的次級(jí)功率。換句話說，D1在反激周期結(jié)束時(shí)必須保持導(dǎo)通。當(dāng)出現(xiàn)非連續(xù)電流時(shí)，D1的正向電流變?yōu)?，LX引腳上的電壓不再被箝制，從而有可能損壞主降壓轉(zhuǎn)換器IC。

當(dāng)內(nèi)部LX開關(guān)從閉合轉(zhuǎn)為斷開時(shí)，次級(jí)負(fù)載將引起初級(jí)電流發(fā)生變化。如圖4中所示，初級(jí)電流的階躍為：

I_XTRA=P_SEC(D×V_LX)

其中，D為占空比，P_SEC為次級(jí)功率，V_LX為L(zhǎng)X處峰值電壓的偏移。

原則上講，匝數(shù)比的選擇有很大靈活性，但實(shí)際上，標(biāo)準(zhǔn)1:1變壓器具有適當(dāng)電感值和峰值電流值，這使得1:1成為最常用的匝數(shù)比。

圖6：圖5電路中的電感和電荷泵產(chǎn)生的電流波形。

需要注意額外負(fù)載是如何引起初級(jí)紋波電流變化的。圖4中的粗線簡(jiǎn)略描述了具有有效輔助電源輸出的主電感電流波形的變化。總之，由主電感變壓器產(chǎn)生輔助電源輸出的優(yōu)勢(shì)在于：

1)具有正或負(fù)輔助電源輸出；2)準(zhǔn)穩(wěn)壓輔助電源輸出；3)輔助電源輸出與主電源輸出隔離，輔助電源輸出可以以地或主電源正輸出為參考；4)由主降壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)置電感值；5)使用現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)1:1變壓器。

缺點(diǎn)：1)初級(jí)紋波電流增大，增加了非連續(xù)電流的出現(xiàn)時(shí)間；2)輔助電源輸出有最小負(fù)載的要求；3)主電源正輸出有最小負(fù)載的要求以維持LX的開關(guān)操作。

圖7：C5、D2、C6和L2組成了一個(gè)SEPIC拓?fù)洹?/I>

由電荷泵產(chǎn)生負(fù)輔助電源輸出

LX端電壓的偏移可被用來產(chǎn)生提供非穩(wěn)壓輔助負(fù)輸出的電荷泵的輸入源。由于LX處的電壓沒有與V_IN的變化隔離，所以額外輸出為非穩(wěn)壓輸出。圖5給出了額外的電荷泵電路。

當(dāng)電源開關(guān)在電源周期開始時(shí)關(guān)閉，電流經(jīng)R6流過C7，并以斜坡形式開始流入電感L1(圖6)。當(dāng)D1在反激周期中導(dǎo)通時(shí)，C7內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移到C8和負(fù)載。R6是一個(gè)很重要的附加元件，它限制流過C7的峰值電流。如果沒有R6，電流值將超過電源開關(guān)的電流限制，導(dǎo)致電源周期的提前結(jié)束，甚至關(guān)閉被保護(hù)的降壓轉(zhuǎn)換器(如MAX5035)。由于R5和C7的存在，非穩(wěn)壓電荷泵的源電阻為：

其中占空比D為：

V_{OUT_MAIN}等于主降壓轉(zhuǎn)換電路的輸出。

因此有：

確定非穩(wěn)壓電荷泵的源電阻使設(shè)計(jì)工程師可以評(píng)估負(fù)載變化時(shí)電荷泵的輸出電壓。電荷泵輔助電源的開路輸出電壓近似為：

-V_{AUX_OIC}=V_LX+V_{DIODE_1}-V_{DIODE_2}-V_DIODE

這里假設(shè)C8上的電荷不會(huì)產(chǎn)生電壓毛刺(+20%)。

帶有負(fù)載電阻的電荷泵輔助電源輸出電壓為：

如果電容值在1至10μF的范圍內(nèi)，R1將成為主要的源阻抗。輸出紋波幾乎全部由C8的ESR引起。由于電荷泵為非穩(wěn)壓型，所以可能需要用線性穩(wěn)壓器連接輸出，以提供經(jīng)過調(diào)節(jié)的負(fù)輸出。這種配置的優(yōu)勢(shì)包括可以使用小型元件，且成本比1:1變壓器結(jié)構(gòu)電路更低。

然而，其缺點(diǎn)在于：

1)非穩(wěn)壓輸出，在輸出處需要額外的穩(wěn)壓器；2)要求很高的峰值電流(約為4×I_{OUT_AVE})以產(chǎn)生合適的輔助負(fù)載電流；3)只提供負(fù)的輔助電源輸出；4)只能以地為參考；5)輔助電源輸出具有最小負(fù)載的要求以免產(chǎn)生過電壓毛刺；6)主電源正輸出具有最小負(fù)載的要求以維持LX的開關(guān)操作。

SEPIC輔助電源

通過讓次級(jí)電感L2與主降壓轉(zhuǎn)換電路中的電感L1共享同一磁芯，并由此具有相同磁通量，也可從LX引腳上獲得負(fù)輸出。在圖7中，C5、D2、C6和L2組成一個(gè)單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)拓?fù)洹Ｔ贚X引腳上驅(qū)動(dòng)正輸出降壓轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換信號(hào)，與驅(qū)動(dòng)負(fù)輸出的信號(hào)具有相同電壓。在開關(guān)導(dǎo)通期間，L1上的電壓等于V_LX-V_OUT；在開關(guān)斷開期間，電壓等于V_OUT+V_{DIODE_1}。通過1:1變壓器，該電壓也被加到L2上，并與D2和C5一起產(chǎn)生V_OUT輸出。由于L1和L2線圈耦合得并不非常理想，所以C5可以提供SEPIC連接并改善一般反激式輔助電源輸出的穩(wěn)壓效果。

這里需要選擇合適的耦合電容(C5)以使C5上電壓波紋很低，所選的C5值為輔助負(fù)載電流占空比和時(shí)鐘周期的函數(shù)。

若V_IN=15V，紋波為1%，輸出電流為200mA，T=8μs(MAX5035)，D_MIN=0.3，則有C5_MIN=3.2μF。本例選擇10μF的C5_MIN。

這一系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于：1)準(zhǔn)穩(wěn)壓輸出；2)電感電流波形“干凈”，噪聲更?。?)由于采用耦合電感，紋波減少；4)只需單個(gè)的磁元件(現(xiàn)成的1:1變壓器)。

系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于：

1)只提供-V_OUT；2)輸出以地為參考。

上述例子雖然選用了MAX5035，但也可以采用輸出電壓更低的MAX5033，但輸出電壓有所降低。以下是對(duì)三種技術(shù)的總結(jié)：

反激式輔助電源輸出：為讓輔助電源輸出的參考電壓完全獨(dú)立，在主降壓轉(zhuǎn)換電感中增加了線圈、肖特基二極管和電容的反激電路非常有吸引力，且輸出經(jīng)過了適當(dāng)穩(wěn)壓。通過采用1:1變壓器(對(duì)MAX5035采用的變壓器為Cooper Bussmann DRQ125-101)，輔助電源輸出可以等于以地或主V_OUT為參考的±V_OUT。輔助電源輸出電流最高可達(dá)主電源輸出電流的20%，但是主電感電流有一些失真。

電荷泵反相器：這是成本最低的一個(gè)方案(沒有額外的電感線圈)。由于高峰值電流和電壓與該拓?fù)湎嚓P(guān)，所以該方案適用于低功率輸出。開路時(shí)的輸出約為-V_IN，并隨著輔助電源輸出上負(fù)載的增大而降低。建議最大負(fù)載為主電源正輸出的5%或更小。

耦合電感的SEPIC輔助電源輸出：該方案在接地系統(tǒng)上并不通用，耦合電感SEPIC拓?fù)鋬H提供以地為參考的穩(wěn)壓輸出-V_OUT。穩(wěn)壓效果優(yōu)于反激式方案，且電感電流波形失真小。輔助電源輸出電流可達(dá)到主電源輸出的20%，耦合電感還有助于減小輔助電源輸出的紋波。

主電源正輸出必須始終保持在有效狀態(tài)，且主降壓轉(zhuǎn)換電感上必須有連續(xù)電流。輔助電源輸出要求額外的峰值電流，這點(diǎn)在考慮主電源輸出的最小負(fù)載和輔助電源輸出的最大負(fù)載時(shí)要特別注意。