電源電路設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上眾所皆知，電源電路設(shè)計(jì)，乃是在整體電路設(shè)計(jì)中最基礎(chǔ)的必備功夫，因此，在接下來(lái)的文章中，將會(huì)針對(duì)實(shí)體電源電路設(shè)計(jì)的案例做基本的探討。 電源device電路輸出電壓可變的基準(zhǔn)電源電路（特征：使用專用IC基準(zhǔn)電源電路）圖1是分流基準(zhǔn)（shunt regulator）IC構(gòu)成的基準(zhǔn)電源電路，本電路可以利用外置電阻 與 的設(shè)定，使輸出電壓在 范圍內(nèi)變化，輸出電壓 可利用下式求得： -（1） ： 內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓 。圖中的TL431是TI的編號(hào)，NEC的編號(hào)是PC1093，新日本無(wú)線電的編號(hào)是NJM2380，日立的編號(hào)是HA17431，東芝的編號(hào)是TA76431。 （特征：高精度、

2、電壓可變）類似REF-02C屬于高精度、輸出電壓不可變的基準(zhǔn)電源IC，因此設(shè)計(jì)上必需追加圖2的OP增幅IC，利用該IC的gain使輸出電壓變成可變，它的電壓變化范圍為 ，輸出電流為 。利用單電源制作正負(fù)電壓同時(shí)站立的電源電路（特征：正負(fù)電壓同時(shí)站立）雖然電池device的電源單元，通常是由電池構(gòu)成單電源電路，不過(guò)某些情況要求電源電路具備負(fù)電源電壓。圖3的電源電路可輸出由單電源送出的穩(wěn)定化正、負(fù)電源，一般這類型的電源電路是以正電壓當(dāng)作基準(zhǔn)再產(chǎn)生負(fù)電壓，因此負(fù)電壓的站立較緩慢，不過(guò)圖3的電源電路正、負(fù)電壓卻可以同時(shí)站立，圖中的TPS60403 IC可使 的電壓極性反轉(zhuǎn)。 40V最大輸出電壓的Ser

3、ial Regulator（特征：可以輸出三端子Regulator IC無(wú)法提供的高電壓）雖然三端子Regulator IC的輸出電壓大約是24V，不過(guò)若超過(guò)該電壓時(shí)電路設(shè)計(jì)上必需與IC以disk lead等組件整合。圖5的Serial Regulator最大可以輸出+40V 的電壓，圖中 D2 Zener二極管的輸出電壓被設(shè)定成一半左右，再用R7 VR1 R8 將輸出電壓分壓，使該電壓能與VZ2 的電壓一致藉此才能決定定數(shù)。必需注意的是R7 R8 若太大的話，會(huì)引發(fā)輸出電壓噪聲上升與波動(dòng)等問(wèn)題；反R7 R8之若太小的話，會(huì)有發(fā)熱耗損電力之虞，因此一般以R7 R8 2-5K 比較合適。輸出電壓

4、為 40-80的Serial Regulator（特征：利用disk lead組件輸出高電壓）圖6是可以輸出電壓為40-80 的Serial Regulator，由于本電路的輸出電壓非常高，因此無(wú)法使用OP增幅IC。圖中的VCEO是利用 120V的2SC2240-GR構(gòu)成誤差增幅器。此外本電路還追加TR5 與Cascode增幅器，藉此改善誤差增幅器的頻率特性。2SK373-Y是 VDS=100V的FET，它可以構(gòu)成高耐壓的定電流電源。除了FET之外還可以使用最大使用電壓為100V ，定格電力為300MW ，石冢電子的定電流二極管E-202。 輸出電壓為 150V的高電壓Serial Regul

5、ator（特征：設(shè)有輸出短路保護(hù)電路） 如圖7所示本Serial Regulator的base的共通增幅電路與OP增幅器輸出端連接，因此可以輸出高電壓。如果輸出發(fā)生短路的話，TR3 的保護(hù)電路就會(huì)動(dòng)作，TR3將流入120MA 限制在 范圍內(nèi)，此時(shí)輸入電壓會(huì)施加至 TR2的drain與source之間，所以會(huì)有20W 左右的損失。輸出電壓為400V 的高電壓Serial Regulator（特征：設(shè)有輸出短路保護(hù)電路） 如圖8所示誤差增幅器的基準(zhǔn)電位與輸出電位連接，形成浮動(dòng)增幅型Serial Regulator。雖然電源變壓器（transistor）必需使用誤差增幅器專用的繞線，不過(guò)誤差增幅器是

6、由OP增幅器構(gòu)成，因此非常適用于高電壓Regulator。此外為避免輸出短路時(shí)的大電力損失，因此保護(hù)電路具備倒V型特性。 T0-220封裝的非絕緣型Step Down Converter（特征：無(wú)封裝面積變大之虞，可將線性電源變成switching電源）三端子Regulator的損失若超過(guò)3W 時(shí)，冷卻片的面積會(huì)變得非常大，因此必需改用非線性而且效率極高較不易發(fā)熱的switching type DC-DC Converter，不過(guò)實(shí)際上由于DC-DC Converter使用的組件數(shù)量非常多，因此有可能造成封裝面積過(guò)大等問(wèn)題。如圖9所示若使用與三端子Regulator同級(jí)的T0-220封裝控制I

7、C，就能獲得輸入電壓為8-24V ，輸出 5V，電流為3.5A 的Step Down Converter。這種Converter最大特征是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單動(dòng)作穩(wěn)定，而且使用組件的數(shù)量非常少，因此不需刻意變更印刷電路板的pattern，或是擔(dān)心封裝面積變大等困擾，雖然價(jià)格稍為偏高不過(guò)Serial Regulator幾乎網(wǎng)羅所有的規(guī)格。本電路是由外置的二極管（diode）、電容、線圈，以及設(shè)定電壓的電阻所構(gòu)成，只有電容比較特殊必需使用switching電源專用低阻抗（impedance）type。PQ1CG系列的產(chǎn)品幾乎函蓋擁所有電壓、電流規(guī)格，從2.5V 低輸出電壓到5A以下機(jī)型一應(yīng)具全而且都已經(jīng)商品化

8、。表1是T0-220封裝非絕緣型Step Down Converter IC的規(guī)格一覽，表中的PQ1CG3032FZ第五根腳兼具soft start與ON/OFF功能，因此使用上非常方便。 ：VODJ輸出電壓調(diào)整端子；feedback： 輸出歸返（return）端子VC； ：位相補(bǔ)償用端子ON/OFF：standby端子； ：輸入端子VIN； ：輸出端子VOUT；NS：國(guó) 家半導(dǎo)體。表1 T0-220封裝的DC-DC Converter控制IC的規(guī)格 尋址Step Down Converter（特征：IC容易取得價(jià)格低廉）圖10使用歷史相當(dāng)長(zhǎng)久的Step Down Converter控制IC，

9、它的輸入電壓為8-16V ，輸出電壓為 5V 600MA。本Converter最大特點(diǎn)是價(jià)格低廉容易取得。圖中的MC34063（On Semiconductor Co）動(dòng)作頻率被設(shè)為45KHZ ，因此線圈與電容器的外形可能會(huì)變大，不過(guò)只要印刷pattern設(shè)計(jì)得宜的話，上述問(wèn)題對(duì)動(dòng)作上尚不致構(gòu)成困擾。必須注意的是類似新日本無(wú)線的NJM2360與NJM2374A，雖然是特性相同的IC，不過(guò)結(jié)構(gòu)上卻不相同，只有國(guó)家半導(dǎo)體的LM2574N-ADJ與Sunken的SAI01是尋址Step Down Converter用IC。 On Board電源用Step Down Converter（特征：封裝面積

10、小，操作簡(jiǎn)易的DC-DC Converter）圖11是利用尋址控制IC構(gòu)成封裝面積很小的Step Down Converter，它的輸入電壓為6-16V ，輸出電壓為 5V 450MA。圖中的MAX738 IC為8pin的DIP封裝，輸入端的積層陶瓷電容C2 必需貼近IC的lead否則無(wú)法順利動(dòng)作。本IC的動(dòng)作頻率為160-170KHZ 左右，因此周邊的被動(dòng)組件可以使用lead type。電容的等價(jià)串聯(lián)阻抗必需使用低于0.5歐 的type；線圈的inductance為100UH 或是 33UH效率95%的超小型Step Down Converter（特征：由5*5MM 的控制IC構(gòu)成）如圖12

11、所示超小型Step Down Converter，是由外型尺寸為5*5MM 的IC與數(shù)個(gè)外置組件構(gòu)成，本電 路內(nèi)建兩個(gè)power MOSFET屬于同步整流type，它可以利用FBSEL端子的設(shè)定，使輸出電壓VOUT 作1.5 1.8 2.5V 三種切換。 可輸出5-10V 低噪訊DC-DC Converter（特征：適用于電池device等模擬電路電源）電池device的單電源，經(jīng)常被要求必需能夠提供OP增幅器的數(shù)個(gè)模擬電路正、電源，由于電流值相當(dāng)?shù)鸵虼耸褂玫慕M件數(shù)量相對(duì)很少。13是輸入電壓為5V ，輸出電壓為10V 的DC-DC Converter，圖中的MAX865是8 pin的MAX封裝

12、內(nèi)建CMOS charge pump的控制IC，它只要四個(gè)外置電容就可以 1.5-6V輸入電源，制作兩倍的正負(fù)電壓，由于本電路未使用線圈，所以峰值電位（spike）的噪訊（noise）非常低。charge pump的電容C1 C2 必需使用低等價(jià)串聯(lián)阻抗，耐壓超過(guò)16V 以上的電容組件，因?yàn)榧哟笕萘繒r(shí)可以降低波動(dòng)（ripple）電壓提高效率。根據(jù)規(guī)格書(shū)（datasheet）的記載MAX865內(nèi)部的輸出阻抗，分別是正電壓端為90歐 ，負(fù)輸出為160歐 （輸入為5V 時(shí)）。若流入5MA的負(fù)載電流時(shí)，正電壓端會(huì)產(chǎn)生0.45V 的電壓下降，負(fù)電壓端則產(chǎn)生0.8V 的電壓下降，要求無(wú)電壓變動(dòng)的電路可以采

13、用MAX865并聯(lián)連接，或是改用MAX743 type。此外V- 電路的負(fù)載電流較大時(shí)，基于保護(hù)電路等考慮，可以將shot key barrier二極管連接于V- 端子與GND 端子（第4 pin）之間。 ?？奢敵?5- -5V 的DC-DC Converter（特征：可輔助正電源系統(tǒng)得負(fù)電源需求）小型量測(cè)設(shè)備經(jīng)常會(huì)有負(fù)電源需求，如果不需大電流容量時(shí)，可以使用charge pump的極性反轉(zhuǎn)Converter。 圖14的DC-DC Converter可以使5V 的極性反轉(zhuǎn)，同時(shí)輸入 5V 50MA的電力，圖中的MAX860是8 pin表面封裝type控制IC；表2是表面封裝type控制IC的規(guī)

14、格一覽。上述Converter的動(dòng)作頻率可設(shè)定成6K 50K 130K 三種形式，無(wú)小型化要求時(shí)可將 VC端子與輸出端連接設(shè)定成130K ，同時(shí)使用低容量的小型電容。圖14的設(shè)定值為50KHZ ，輸入電壓范圍為1.5-5V ，輸出阻抗為 12，最大負(fù)載電流為 50。如果希望利用負(fù)載降低電壓時(shí)，可將MAX860并聯(lián)連接 。 表2 極性反轉(zhuǎn)型Step Down Converter控制IC的規(guī)格可使電池電壓上升的Step Up Converter（特征：電池能量100%發(fā)揮）使用二次電池驅(qū)動(dòng)的可攜式電子產(chǎn)品，要求即使電池電壓下降亦能長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)作，因此出現(xiàn)可將5V 的電池電壓Step Up，輸出200M

15、A 的Converter（圖15）。如表3所示具備上述功能的IC種類非常多，由于這類IC大多具有shut down端子（pin），因此可用logic level控制輸出的ON/OFF。此外 即使shut down輸出與輸入也不會(huì)連通線圈，使得輸入電壓（電池電壓）直接被輸出。要求大電流的場(chǎng)合（case）建議改用流入線圈的峰值電流極小，而且又是固定頻率的PWM type MAX1700 IC。 表3 Step Up Converter控制IC的規(guī)格 高電壓Step Down Converter（特征：無(wú)變壓器可使100-400V 直流電壓轉(zhuǎn)換成15V ）如圖16所示本Step Down Conve

16、rter可將100V 以上高電壓轉(zhuǎn)換成 15V，由于本電路未使用變壓器就可以獲得低電壓，因此使用上非常方便。設(shè)計(jì)規(guī)格如下所示：>DC輸入：100-400V 。>DC輸出：15V 200MA 。由于控制端子的電壓高達(dá)5.7V ，所以輸出電壓無(wú)法低于5.7V ，輸出電壓VOUT 可以從ZenerVZ V二極管的電壓 求得： VOUT=VZ+5.7圖中的MIP0222SY與power MOSFET同樣是三端子控制IC，內(nèi)建有switching電源必需具備的所有功能，因此只需利用該IC就可以用簡(jiǎn)易的電路，形成高電壓用Step Down Converter，值得一提的是與 同等級(jí)的產(chǎn)品有Po

17、wer Integration公司開(kāi)發(fā)的TOP222Y； 以外的同等級(jí)組件基本上可以從其它公司的產(chǎn)品型錄中尋得。為了抑制線圈L1波動(dòng)（ripple）電流，因此線圈必需大于必需1MH ，在L1 流動(dòng)的最大電流值則是根據(jù)IC1 的最大電流規(guī)格設(shè)定成500MA 。當(dāng)IC1 為ON時(shí)輸入電壓會(huì)流入D1 D2 ，因此必需選用耐壓超過(guò) 400V的組件，此處考慮延遲（delaying）時(shí)間所以選用耐壓600V 的type，若是要抑制switching損失的話，就必需使用高速、高效率、低損失的的二極管。如上所述由于輸入電壓非常高，所以波動(dòng)電流也很高，此處為降低輸出波動(dòng)電壓，所以輸出電容必需盡量挑選低等價(jià)串聯(lián)阻

18、抗的type。 Memory Backup電源電路（特征：即使系統(tǒng)電源OFF時(shí)，電源持續(xù)提供電力至內(nèi)存）如果PC使用簡(jiǎn)易系統(tǒng)的話，一旦電源OFF時(shí)的內(nèi)存電力也會(huì)一并被切斷，造成儲(chǔ)存于內(nèi)存（Memory）內(nèi)部的數(shù)據(jù)面臨全毀的厄運(yùn)。圖17是電源OFF時(shí)仍舊可以維持SRAM電力的電路，當(dāng)電源ON時(shí)鎳氫二次電池進(jìn)行充電動(dòng)作，電源OFF時(shí)二次電池便自動(dòng)釋放電力。由于SRAM動(dòng)作時(shí)的電源電壓超過(guò)4.5V 以上無(wú)法將TR1 變更成二極管，所以利用VDROP 很小的PNP晶體管（transistor）構(gòu)成switch。當(dāng)電源OFF時(shí)SRAM的CE2 會(huì)變成L level成為待機(jī)狀態(tài)。 World Wide輸入

19、，三頻輸出簡(jiǎn)易型Switching電源（特征：利用內(nèi)建Power MOSFET的單芯片控制IC獲Switching電源）圖18是數(shù)字、模擬混載系統(tǒng)用輸入World Wide/三頻輸出，絕緣型Switching電源電路，它適用于10-45W 的device。本電源電路主要規(guī)格如下：>AC輸入： 85-264V>DC輸出1： 15V 1.5A>DC輸出2： -15V 200MA>DC輸出3： 5V 3A圖中的MIP0224SY控制IC內(nèi)建有switching電源必需具備的所有功能，此外本IC采用與Power MOSFET相同的三端子（pin）封裝，動(dòng)作上則屬于一般電壓模式（

20、mode）fly back converter，因此內(nèi)建于輸出段的Power MOSFET drain耐壓高達(dá)700V。使用MIP0224SY時(shí)只需注意耐壓?jiǎn)栴}，就可以輕易獲得制作上非常繁瑣的絕緣型Switching電路。變壓器的設(shè)計(jì)是最棘手的一環(huán)，建議讀者利用Power Integration公司的網(wǎng)頁(yè)，下載設(shè)計(jì)用Excel sheet就可以輕易設(shè)計(jì)變壓器。必需注意的是絕緣距離，尤其是適用的安全規(guī)范會(huì)隨著用途有很大的差異，圖18的電路是根據(jù)IEC60905規(guī)范設(shè)計(jì)。此外與市面上有許多與IC1 同等級(jí)的控制IC，例如Power Integration公司的TOP224Y就是典型代表，若使用TO

21、P224Y的話就可以制作180W 的fly back converter。 圖18 World Wide輸入的Switching電源(輸入85 246V: ,DC輸出1 15V 1.5A: ，DC輸出2:-15V 200MA ，DC輸出3:5V 3A )輸出 5V 1.5A的Step Down Converter（特征：利用免費(fèi)web tool輕松設(shè)計(jì)周邊組件）圖19是利用monolithic switching regulator IC LM2576T-5.0，制作可輸出5V 1.5A 的Step Down Converter，該Converter非常適用于利用24V 電源驅(qū)動(dòng) 5V CPU

22、主板等領(lǐng)域。有關(guān)L1 C2 、 的最適值以及D1 的峰值電流，建議讀者利用National Semiconductor公司的網(wǎng)頁(yè)，下載WEBENCH design program的免費(fèi)tool就可以輕易計(jì)算。該網(wǎng)頁(yè)除了組件定數(shù)之外同時(shí)還會(huì)教導(dǎo)有關(guān)IC與二極管的具體名稱，以及溫度與動(dòng)作的仿真分析與pattern的設(shè)計(jì)。必須注意的是L1 若不選擇特洛伊酒桶型core無(wú)間隙type，或是類似pot core兼具磁氣shield功能的組件時(shí)，強(qiáng)大的磁氣噪訊（noise）可能會(huì)四處擴(kuò)散；此外圖中的C2 主要工作是頻繁的充放電，因此必 須使用低ESR、抗ripple的電容。 輸入World Wide，輸出

23、100W的改良型電路（特征：AC輸入電流的高頻波電流低于規(guī)范值）圖20是World Wide輸入的改良型電路，該電路主要功能是將 輸出的絕緣型Converter整流電路，置換并符合高頻波規(guī)范值。本電路的設(shè)計(jì)規(guī)格如下：>AC輸入：85 -264V >DC輸出： 390V 300MA本電路屬于電流間斷型，因此非常適合應(yīng)用于200W 以下低輸出電源等領(lǐng)域。由于電感（inductance）LB 的電流間斷流動(dòng)，因此轉(zhuǎn)流二極管的逆回復(fù)損失的影響很小，其結(jié)果連帶造成switching損失與輻射噪訊也隨著降低。此外最大電流是輸入電流峰值的二倍以上，所以成為選擇LB與Power MOSFET TR

24、1 時(shí)的主要考慮因素。LB 在B-H curve呈巨大的minor loop，因此必需使用低鐵損的ferrite core，此外core要求很大間隙（gap），從該部位散發(fā)的磁束動(dòng)亂，會(huì)造成卷線渦卷電流損失變大，所以必需使用編織線（litz wire）加以隔絕。本電路的動(dòng)作為電流模式（mode），所以內(nèi)建有過(guò)電流保護(hù)單元，問(wèn)題是過(guò)電壓保護(hù)，尤其是與第一pin連接的輸出電壓分壓電阻，一旦open或是短路的話，輸出會(huì)立刻變成高電壓，而電容則遭到破壞，因此過(guò)電壓保護(hù)單元使用TA76431S IC。雖然同等級(jí)的FA5500/FA5501（富士電機(jī)）具備完整的過(guò)電壓保護(hù)對(duì)策，不過(guò)由于檢測(cè)level太高，

25、反而造成必需使用耐壓超過(guò)450V 的平整電容的后果。事實(shí)上并無(wú)與上漲 IC1功能完全的同等級(jí)產(chǎn)品，而功能性的代替品同時(shí)也是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)品，分別有MC33261、FAN7527B、L6561、NJM2375等等可供選擇。 鋰離子二次電池的充電電路（特征：以USB界面為電源）如果USB接口具備5V 500MA 的話，就能當(dāng)作便利的電源使用，反之若超過(guò)500mA時(shí)，USB內(nèi)部的breaker就會(huì)開(kāi)始動(dòng)作。圖21是利用TI的bq24010 IC，串聯(lián)構(gòu)成鋰離子二次電池的充電電路，該電路是以USB接口當(dāng)作電源，因此系統(tǒng)一旦起動(dòng)后電池的電壓若低于4V 時(shí)，就會(huì)開(kāi)始自動(dòng)充電。最大充電電流I 可以利用REST 設(shè)

26、定，為符合USB的規(guī)格，因此 RSET被設(shè)定成1.68K ， I則被設(shè)定成 498MA。最大充電保留溫度與最低充電保留溫度，則分別利用電阻 RT1與 RT2設(shè)定成 60度與0度 。圖22是上述充電電路與USB接口連接時(shí)，鋰離子二次電池實(shí)際充電的特性。 兩鎳氫電池串聯(lián)的充電電路（特征：以USB界面為電源）圖23是以USB為電源的兩cell鎳氫電池串聯(lián)的充電電路，充電時(shí)電壓若低于2.5V 時(shí)，會(huì)被視為滿溢充電進(jìn)而停止充電。Timer會(huì)以最大充電時(shí)間160分動(dòng)作，當(dāng)電池達(dá)60度 時(shí)就會(huì)停止充電?？焖俪潆娊Y(jié)束后會(huì)以C/32進(jìn)行160分的補(bǔ)充電，接著再以C/64無(wú)期限持續(xù)進(jìn)行pulse trickle充電。充電器利用 -或是 檢測(cè)出滿溢充電時(shí)，每單位電池cell的充電電壓會(huì)變成1.6V左右，由于主電源為5V因此本電路若三電池cel