數(shù)字運(yùn)算電源電路設(shè)計(jì).

1、 數(shù)字運(yùn)算電源電路設(shè)計(jì).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，新日本無線電的編號(hào)是njm2380，日立的編號(hào)是ha17431，東芝的編號(hào)是ta76431。 輸出電壓可變的高精

2、度基準(zhǔn)電源電路（特征：高精度、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)

3、。 40v最大輸出電壓的serial regulator（特征：可以輸出三端子regulator ic無法提供的高電壓）雖然三端子regulator ic的輸出電壓大約是24v，不過若超過該電壓時(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

4、 2-5k 比較合適。輸出電壓為 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

5、高電壓serial regulator（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

6、器專用的繞線，不過誤差增幅器是由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大等問題。如圖9所示若使用與三端子regulato

7、r同級(jí)的t0-220封裝控制ic，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

8、下機(jī)型一應(yīng)具全而且都已經(jīng)商品化。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

9、 converter控制ic，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，不過只要印刷pattern設(shè)計(jì)得宜的話，上述問題對(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線的njm2360與njm2374a，雖然是特性相同的ic，不過結(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 co

10、nverter（特征：封裝面積小，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*5

11、mm 的控制ic構(gòu)成）如圖12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max

12、865是8 pin的max封裝內(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（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

13、降，要求無電壓變動(dòng)的電路可以采用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

14、是表面封裝type控制ic的規(guī)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

15、壓step up，輸出200ma 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：無變壓器可使100-400v 直流電壓轉(zhuǎn)換成15v ）如圖16所示本

16、step down converter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

17、級(jí)的產(chǎn)品有power integration公司開發(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 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

18、選低等價(jià)串聯(lián)阻抗的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4.5v 以上無法將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

19、 wide輸入，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： 85-264vdc輸出1： 15v 1.5adc輸出2： -15v 200madc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（mode）fly

20、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top224y的話就可

21、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主板等領(lǐng)域。有關(guān)l

22、1 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100w的改良型電

23、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 tr1 時(shí)的主要考慮因素。lb 在b-

24、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)建有過電流保護(hù)單元，問題是過電壓保護(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)）具備完整的過電壓保護(hù)對(duì)策，不過由于檢測(cè)level太高，反而造成必需使用耐壓超過450v

25、的平整電容的后果。事實(shí)上并無與上漲 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u(píng)sb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500ma時(shí)，usb內(nèi)部的breaker就會(huì)開始動(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u(píng)sb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)開始自動(dòng)充電。最大充電電流i 可以利用rest 設(shè)定，為符合usb的規(guī)格，因此 rs

26、et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u(píng)sb界面為電源）圖23是以u(píng)sb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。快速充電結(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