数字运算电源电路设计.docx

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数字运算电源电路设计

数字运算电源电路设计.

众所皆知，电源电路设计，乃是在整体电路设计中最基础的必备功夫，因此，在接下来的文章中，将会针对实体电源电路设计的案例做基本的探讨。

电源device电路

※输出电压可变的基准电源电路

（特征：

使用专用IC基准电源电路）

图1是分流基准（shuntregulator）IC构成的基准电源电路，本电路可以利用外置电阻与的设定，使输出电压在范围内变化，输出电压可利用下式求得：

----------------------

（1）

：

内部的基准电压。

图中的TL431是TI的编号，NEC的编号是μPC1093，新日本无线电的编号是NJM2380，日立的编号是HA17431，东芝的编号是TA76431。

※输出电压可变的高精度基准电源电路

（特征：

高精度、电压可变）

类似REF-02C属于高精度、输出电压不可变的基准电源IC，因此设计上必需追加图2的OP增幅IC，利用该IC的gain使输出电压变成可变，它的电压变化范围为，输出电流为。

※利用单电源制作正负电压同时站立的电源电路

（特征：

正负电压同时站立）

虽然电池device的电源单元，通常是由电池构成单电源电路，不过某些情况要求电源电路具备负电源电压。

图3的电源电路可输出由单电源送出的稳定化正、负电源，一般这类型的电源电路是以正电压当作基准再产生负电压，因此负电压的站立较缓慢，不过图3的电源电路正、负电压却可以同时站立，图中的TPS60403IC可使的电压极性反转。

※40V最大输出电压的SerialRegulator

（特征：

可以输出三端子RegulatorIC无法提供的高电压）

虽然三端子RegulatorIC的输出电压大约是24V，不过若超过该电压时电路设计上必需与IC以disklead等组件整合。

图5的SerialRegulator最大可以输出+40V的电压，图中D2Zener二极管的输出电压被设定成一半左右，再用R7VR1R8将输出电压分压，使该电压能与VZ2的电压一致藉此才能决定定数。

必需注意的是R7R8若太大的话，会引发输出电压噪声上升与波动等问题；反R7R8之若太小的话，会有发热耗损电力之虞，因此一般以R7R82-5K比较合适。

※输出电压为40-80的SerialRegulator

（特征：

利用disklead组件输出高电压）

图6是可以输出电压为40-80的SerialRegulator，由于本电路的输出电压非常高，因此无法使用OP增幅IC。

图中的VCEO是利用120V的2SC2240-GR构成误差增幅器。

此外本电路还追加TR5与Cascode增幅器，藉此改善误差增幅器的频率特性。

2SK373-Y是VDS=100V的FET，它可以构成高耐压的定电流电源。

除了FET之外还可以使用最大使用电压为100V，定格电力为300MW，石冢电子的定电流二极管E-202。

※输出电压为150V的高电压SerialRegulator

（特征：

设有输出短路保护电路）

如图7所示本SerialRegulator的base的共通增幅电路与OP增幅器输出端连接，因此可以输出高电压。

如果输出发生短路的话，TR3的保护电路就会动作，TR3将流入120MA限制在范围内，此时输入电压会施加至TR2的drain与source之间，所以会有20W左右的损失。

※输出电压为400V的高电压SerialRegulator

（特征：

设有输出短路保护电路）

如图8所示误差增幅器的基准电位与输出电位连接，形成浮动增幅型SerialRegulator。

虽然电源变压器（transistor）必需使用误差增幅器专用的绕线，不过误差增幅器是由OP增幅器构成，因此非常适用于高电压Regulator。

此外为避免输出短路时的大电力损失，因此保护电路具备倒V型特性。

※T0-220封装的非绝缘型StepDownConverter

（特征：

无封装面积变大之虞，可将线性电源变成switching电源）

三端子Regulator的损失若超过3W时，冷却片的面积会变得非常大，因此必需改用非线性而且效率极高较不易发热的switchingtypeDC-DCConverter，不过实际上由于DC-DCConverter使用的组件数量非常多，因此有可能造成封装面积过大等问题。

如图9所示若使用与三端子Regulator同级的T0-220封装控制IC，就能获得输入电压为8-24V，输出5V，电流为3.5A的StepDownConverter。

这种Converter最大特征是结构简单动作稳定，而且使用组件的数量非常少，因此不需刻意变更印刷电路板的pattern，或是担心封装面积变大等困扰，虽然价格稍为偏高不过SerialRegulator几乎网罗所有的规格。

本电路是由外置的二极管（diode）、电容、线圈，以及设定电压的电阻所构成，只有电容比较特殊必需使用switching电源专用低阻抗（impedance）type。

PQ1CG系列的产品几乎函盖拥所有电压、电流规格，从2.5V低输出电压到5A以下机型一应具全而且都已经商品化。

表1是T0-220封装非绝缘型StepDownConverterIC的规格一览，表中的PQ1CG3032FZ第五根脚兼具softstart与ON/OFF功能，因此使用上非常方便。

：

VODJ输出电压调整端子；feedback：

输出归返（return）端子VC；：

位相补偿用端子

ON/OFF：

standby端子；：

输入端子VIN；：

输出端子VOUT；NS：

国家半导体。

表1T0-220封装的DC-DCConverter控制IC的规格

※寻址StepDownConverter

（特征：

IC容易取得价格低廉）

图10使用历史相当长久的StepDownConverter控制IC，它的输入电压为8-16V，输出电压为5V600MA。

本Converter最大特点是价格低廉容易取得。

图中的MC34063（OnSemiconductorCo）动作频率被设为45KHZ，因此线圈与电容器的外形可能会变大，不过只要印刷pattern设计得宜的话，上述问题对动作上尚不致构成困扰。

必须注意的是类似新日本无线的NJM2360与NJM2374A，虽然是特性相同的IC，不过结构上却不相同，只有国家半导体的LM2574N-ADJ与Sunken的SAI01是寻址StepDownConverter用IC。

※OnBoard电源用StepDownConverter

（特征：

封装面积小，操作简易的DC-DCConverter）

图11是利用寻址控制IC构成封装面积很小的StepDownConverter，它的输入电压为6-16V，输出电压为5V450MA。

图中的MAX738IC为8pin的DIP封装，输入端的积层陶瓷电容C2必需贴近IC的lead

否则无法顺利动作。

本IC的动作频率为160-170KHZ左右，因此周边的被动组件可以使用leadtype。

电容的等价串联阻抗必需使用低于0.5欧的type；线圈的inductance为100UH或是33UH

※效率95%的超小型StepDownConverter

（特征：

由5*5MM的控制IC构成）

如图12所示超小型StepDownConverter，是由外型尺寸为5*5MM的IC与数个外置组件构成，本电路内建两个powerMOSFET属于同步整流type，它可以利用FBSEL端子的设定，使输出电压VOUT作1.51.82.5V三种切换。

※可输出5-10V低噪讯DC-DCConverter

（特征：

适用于电池device等模拟电路电源）

电池device的单电源，经常被要求必需能够提供OP增幅器的数个模拟电路正、电源，由于电流值相当低因此使用的组件数量相对很少。

13是输入电压为5V，输出电压为10V的DC-DCConverter，图中的MAX865是8pin的μMAX封装内建CMOSchargepump的控制IC，它只要四个外置电容就可以1.5-6V输入电源，制作两倍的正负电压，由于本电路未使用线圈，所以峰值电位（spike）的噪讯（noise）非常低。

chargepump的电容C1C2必需使用低等价串联阻抗，耐压超过16V以上的电容组件，因为加大容量时可以降低波动（ripple）电压提高效率。

根据规格书（datasheet）的记载MAX865内部的输出阻抗，分别是正电压端为90欧，负输出为160欧（输入为5V时）。

若流入5MA的负载电流时，正电压端会产生0.45V的电压下降，负电压端则产生0.8V的电压下降，要求无电压变动的电路可以采用MAX865并联连接，或是改用MAX743type。

此外V-电路的负载电流较大时，基于保护电路等考虑，可以将shotkeybarrier二极管连接于V-端子与GND端子（第4pin）之间。

　。

※可输出+5----5V的DC-DCConverter

（特征：

可辅助正电源系统得负电源需求）

小型量测设备经常会有负电源需求，如果不需大电流容量时，可以使用chargepump的极性反转Converter。

图14的DC-DCConverter可以使5V的极性反转，同时输入–5V50MA的电力，图中的MAX860是8pin表面封装type控制IC；表2是表面封装type控制IC的规格一览。

上述Converter的动作频率可设定成6K50K130K三种形式，无小型化要求时可将VC端子与输出端连接设定成130K，同时使用低容量的小型电容。

图14的设定值为50KHZ，输入电压范围为1.5-5V，输出阻抗为12，最大负载电流为50。

如果希望利用负载降低电压时，可将MAX860并联连接。

表2极性反转型StepDownConverter控制IC的规格

※可使电池电压上升的StepUpConverter

（特征：

电池能量100%发挥）

使用二次电池驱动的可携式电子产品，要求即使电池电压下降亦能长时间动作，因此出现可将5V的电池电压StepUp，输出200MA的Converter（图15）。

如表3所示具备上述功能的IC种类非常多，由于这类IC大多具有shutdown端子（pin），因此可用logiclevel控制输出的ON/OFF。

此外即使shutdown输出与输入也不会连通线圈，使得输入电压（电池电压）直接被输出。

要求大电流的场合（case）建议改用流入线圈的峰值电流极小，而且又是固定频率的PWMtypeMAX1700IC。

表3StepUpConverter控制IC的规格

※高电压StepDownConverter

（特征：

无变压器可使100-400V直流电压转换成15V）

如图16所示本StepDownConverter可将100V以上高电压转换成15V，由于本电路未使用变压器就可以获得低电压，因此使用上非常方便。

设计规格如下所示：

>DC输入：

100-400V。

>DC输出：

15V200MA。

由于控制端子的电压高达5.7V，所以输出电压无法低于5.7V，输出电压VOUT可以从ZenerVZV二极管的电压求得：

VOUT=VZ+5.7

图中的MIP0222SY与powerMOSFET同样是三端子控制IC，内建有switching电源必需具备的所有功能，因此只需利用该IC就可以用简易的电路，形成高电压用StepDownConverter，值得一提的是与同等级的产品有PowerIntegration公司开发的TOP222Y；以外的同等级组件基本上可以从其它公司的产品型录中寻得。

为了抑制线圈L1波动（ripple）电流，因此线圈必需大于必需1MH，在L1流动的最大电流值则是根据IC1的最大电流规格设定成500MA。

当IC1为ON时输入电压会流入D1D2，因此必需选用耐压超过400V的组件，此处考虑延迟（delaying）时间所以选用耐压600V的type，若是要抑制switching损失的话，就必需使用高速、高效率、低损失的的二极管。

如上所述由于输入电压非常高，所以波动电流也很高，此处为降低输出波动电压，所以输出电容必需尽量挑选低等价串联阻抗的type。

※MemoryBackup电源电路

（特征：

即使系统电源OFF时，电源持续提供电力至内存）

如果PC使用简易系统的话，一旦电源OFF时的内存电力也会一并被切断，造成储存于内存（Memory）内部的数据面临全毁的厄运。

图17是电源OFF时仍旧可以维持SRAM电力的电路，当电源ON时镍氢二次电池进行充电动作，电源OFF时二次电池便自动释放电力。

由于SRAM动作时的电源电压超过4.5V以上无法将TR1变更成二极管，所以利用VDROP很小的PNP晶体管（transistor）构成switch。

当电源OFF时SRAM的CE2会变成Llevel成为待机状态。

※WorldWide输入，三频输出简易型Switching电源

（特征：

利用内建PowerMOSFET的单芯片控制IC获Switching电源）

图18是数字、模拟混载系统用输入WorldWide/三频输出，绝缘型Switching电源电路，它适用于10-45W的device。

本电源电路主要规格如下：

>AC输入：

85-264V

>DC输出1：

15V1.5A

>DC输出2：

-15V200MA

>DC输出3：

5V3A

图中的MIP0224SY控制IC内建有switching电源必需具备的所有功能，此外本IC采用与PowerMOSFET相同的三端子（pin）封装，动作上则属于一般电压模式（mode）flybackconverter，因此内建于输出段的PowerMOSFETdrain耐压高达700V。

使用MIP0224SY时只需注意耐压问题，就可以轻易获得制作上非常繁琐的绝缘型Switching电路。

变压器的设计是最棘手的一环，建议读者利用PowerIntegration公司的网页，下载设计用Excelsheet就可以轻易设计变压器。

必需注意的是绝缘距离，尤其是适用的安全规范会随着用途有很大的差异，图18的电路是根据IEC60905规范设计。

此外与市面上有许多与IC1同等级的控制IC，例如PowerIntegration公司的TOP224Y就是典型代表，若使用TOP224Y的话就可以制作180W的flybackconverter。

图18WorldWide输入的Switching电源

（输入85246V:

DC输出115V1.5A:

，DC输出2:

-15V200MA，DC输出3:

5V3A）

※输出5V1.5A的StepDownConverter

（特征：

利用免费webtool轻松设计周边组件）

图19是利用monolithicswitchingregulatorICLM2576T-5.0，制作可输出5V1.5A的StepDownConverter，该Converter非常适用于利用24V电源驱动5VCPU主板等领域。

有关L1C2、的最适值以及D1的峰值电流，建议读者利用NationalSemiconductor公司的网页，下载「WEBENCHdesignprogram」的免费tool就可以轻易计算。

该网页除了组件定数之外同时还会教导有关IC与二极管的具体名称，以及温度与动作的仿真分析与pattern的设计。

必须注意的是L1若不选择特洛伊酒桶型core无间隙type，或是类似potcore兼具磁气shield功能的组件时，强大的磁气噪讯（noise）可能会四处扩散；此外图中的C2主要工作是频繁的充放电，因此必须使用低ESR、抗ripple的电容。

※输入WorldWide，输出100W的改良型电路

（特征：

AC输入电流的高频波电流低于规范值）

图20是WorldWide输入的改良型电路，该电路主要功能是将输出的绝缘型Converter整流电路，置换并符合高频波规范值。

本电路的设计规格如下：

>AC输入：

85-264V

>DC输出：

390V300MA

本电路属于电流间断型，因此非常适合应用于200W以下低输出电源等领域。

由于电感（inductance）LB的电流间断流动，因此转流二极管的逆回复损失的影响很小，其结果连带造成switching损失与辐射噪讯也随着降低。

此外最大电流是输入电流峰值的二倍以上，所以成为选择LB与PowerMOSFETTR1时的主要考虑因素。

LB在B-Hcurve呈巨大的minorloop，因此必需使用低铁损的ferritecore，此外core要求很大间隙（gap），从该部位散发的磁束动乱，会造成卷线涡卷电流损失变大，所以必需使用编织线（litzwire）加以隔绝。

本电路的动作为电流模式（mode），所以内建有过电流保护单元，问题是过电压保护，尤其是与第一pin连接的输出电压分压电阻，一旦open或是短路的话，输出会立刻变成高电压，而电容则遭到破坏，因此过电压保护单元使用TA76431SIC。

虽然同等级的FA5500/FA5501（富士电机）具备完整的过电压保护对策，不过由于检测level太高，反而造成必需使用耐压超过450V的平整电容的后果。

事实上并无与上涨IC1功能完全的同等级产品，而功能性的代替品同时也是业界标准品，分别有MC33261、FAN7527B、L6561、NJM2375等等可供选择。

※锂离子二次电池的充电电路

（特征：

以USB界面为电源）

如果USB接口具备5V500MA的话，就能当作便利的电源使用，反之若超过500mA时，USB内部的breaker就会开始动作。

图21是利用TI的bq24010IC，串联构成锂离子二次电池的充电电路，该电路是以USB接口当作电源，因此系统一旦起动后电池的电压若低于4V时，就会开始自动充电。

最大充电电流I可以利用REST设定，为符合USB的规格，因此RSET被设定成1.68K，I则被设定成498MA。

最大充电保留温度与最低充电保留温度，则分别利用电阻RT1与RT2设定成60度与0度。

图22是上述充电电路与USB接口连接时，锂离子二次电池实际充电的特性。

※两镍氢电池串联的充电电路

（特征：

以USB界面为电源）

图23是以USB为电源的两cell镍氢电池串联的充电电路，充电时电压若低于2.5V时，会被视为满溢充电进而停止充电。

Timer会以最大充电时间160分动作，当电池达60度时就会停止充电。

快速充电结束后会以C/32进行160分的补充电，接着再以C/64无期限持续进行pulsetrickle充电。

充电器利用-

或是

检测出满溢充电时，每单位电池cell的充电电压会变成1.6V左右，由于主电源为5V因此本电路若三电池cell串联充电的话，就会显得相当吃力。

图24是本电路的实测充电特性，由图可知两cell镍氢电池串联时的最大充电电压会上升至3V，由于单cell电池为1.5V所以三cell电池串联时的最大充电电高达4.5V。

必须注意的是系统内若设有上述电路的话，会因系统的驱动电流与布线阻抗产生噪讯，进而造成错误检测成满充电信号，为防止这类现象发生，因此必需将signalground（S.GND）与powerground（G.GND）分开布线。

※小容量简易绝缘电源电路

（特征：

利用TimerIC555驱动绝缘变压器）

图25是可应用于感测（sensor）的小容量绝缘电源电路。

驱动TR1的ON/OFF时间可用R1R2电阻调整，当R1=R2时，理论上IC会输出50%的dutycycle矩形波，然而实际上有TR1OFF时的延迟，因此必需作微调。

若从脉冲变压器的ET积求取TR1的最大ON时间，就可以决定switching频率与必要的ON/OFF时间。

ON的时间是由C1与C3决定。

输出电压「H」时的充电时间

，与「L」

时的放电时间可利用下式求得：

※FlashMemory写入用电源

（特征：

OFF时电源line被groundshort）

图26是可以输出FlashMemory改写内容时，必要的12V直流电压的电源电路。

写入控制信号为「H」时，输出VOUT变成0V，写入控制信号为「L」时，输出VOUT变成11.8V，未写入期间为提高噪讯耐性，所以将电源线与ground短路（short），VOUT的升降则是利用控制输入端子控制。

如果控制输入端子变成5V的话，线性regulatorM5237L的电压监控（monitor）输入（第三pin）电压会超过1.5V以上，M5237L为阻止电流的吸入会将TR1关闭（OFF），TR2呈ON状使VOUT与ground短路。

如果控制输入端子为0V时，上述第三pin的电位会变成1.26V并将电流吸入，当TR1开启（ON），TR2关闭（OFF）时，就变成12V。