主電源的降壓dc to轉(zhuǎn)換器提供額外輔助

1、主電源的降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供額外的輔助電源許多系統(tǒng)除了需要主電源外還需要低功率電源。一個典型例子就是當模擬前端放大器需要5V 電源時，主數(shù)字電路只需要+5V 電源。由于成本、庫存管理、電磁兼容等原因，采用單獨的-5V 轉(zhuǎn)換器設(shè)計這個低功率電源也許并不合適，所以必須利用某些方法從主電源獲得額外的電源軌。執(zhí)行降壓型轉(zhuǎn)換器 IC 的開關(guān)操作可以提供一個或多個 或非 的、準穩(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：(

2、VAX)-VDIODE)VLX(VIN)-VDIODE)在電源周期(LX 連接VIN)內(nèi)，主電感 L1 上的電壓為：(VAX) -VOUT)VIND(VIN)-VOUT)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)電感電流操作當電源開關(guān)斷開時，LX 引腳上的電壓變成負值，從而導通二極管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 R MS 電流和電壓，則按以下方法計算功率消耗。(1)計算LX 開關(guān)的功率消耗：PSW=(ISW_RMS)2RON_SW(2)計算 IC 的

3、靜態(tài)功率消耗：PI_QUIESCENT=VINIQUIESCENT(3)計算二極管D1 的功率消耗：PDIODE=IDIODE_RMSVDIODE_FORWARD(4)計算負載功率消耗：PLOAD=RLOAD(ILOAD_RMS)2其中，RON_SW 等于數(shù)據(jù)表給出的電源開關(guān)導通阻抗(從VIN 引腳至LX 引腳)，RLOAD 為接至電源輸出的有效阻抗，IQUIESCENT 為無開關(guān)操作時控制 IC 的靜態(tài)電流，IDIODE_RMS 為二極管D1 的正向 RMS 電流，VDIODE_FORWARD二極管D1 在額定電流下的正向壓降，ILOAD_RMS 為負載RMS 電流。為圖 2：圖 1 電路的

4、連續(xù)電感電流波形和相關(guān)等式示。當從主降壓轉(zhuǎn)換器中獲取額外電源時，有一點非常重要，即主電源輸出一直處于負載狀態(tài)，而主電感在整個主降壓轉(zhuǎn)換器的負載范圍內(nèi)始終保持導通。電感的選擇為確保在電感中有足夠的能量儲備，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：IRIPPLE=%ILOAD (當電感電流連續(xù)時)一般選擇紋波電流等于輸出電流的某一百分比，對于 MAX5035 選擇紋波電流等于輸出電流的 30%。請注意，在出現(xiàn)非連續(xù)電流之前，紋波電流的大小決定最小負載電流。額外的輔助電源將提高對電源開關(guān)峰值電流的要求，從而要

5、求限制輔助電源汲取的電流。圖 3：在這個反激電路中，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)。對許多應(yīng)用來說，評估套件中 100H 和 68F 輸出濾波器值的標準設(shè)置比較合適，且這些值可用于另外的電源。M AX5035 具有固定的 第 3 類補償電路，該補償電路會對輸出電容的選擇帶來一定限制。此外，還要對電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)進行選擇，以使“零”頻率出現(xiàn)在 20kHz 至 40kHz 之間。圖 4：次級負載引起初級電感電流發(fā)生變化。由主電感變壓器產(chǎn)生輔助電源輸出由于初級電路中的二極管壓降相對恒定(根據(jù)電流大小，通常為 300mV 至 500mV)，而控制器可調(diào)節(jié)

6、輸出電壓，所以在電源開關(guān)斷開期間的電感壓降也相對恒定。通過連接次級整流器和電容以使二極管在反激(flyback)周期中導通，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，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：VOUT2=N2/N1(VOUT+VDIODE)-VDIODE其中N1 為初級匝數(shù)，N2 為次級匝數(shù)。圖 5：這個電路可產(chǎn)生一個由電荷泵衍生出的輔助電源負輸出。二極管D2 在 LX 電源開關(guān)斷開時導通，因此輸出與輸入電壓的變化無關(guān)。選擇合

7、適的電容 C7 以便在電源開關(guān)的最長閉合期間提供輸出。由于 D1 的正向壓降隨溫度和負載電流變化，所以次級輸出有 2%至 3%的變化。由于變壓器的N1 和 N2 是直流 的，額外輸出可以以任何直流電壓為參考。對于一個給定的電感值，主電路初級電感的非連續(xù)電流將限制輔助電源輸出端的次級功率。換句話說，D1 在反激周期結(jié)束時必須保持導通。當出現(xiàn)非連續(xù)電流時，D1 的正向電流變?yōu)?0，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LX 開關(guān)從閉合轉(zhuǎn)為斷開時，次級負載將引起初級電流發(fā)生變化。如圖 4 中所示，初級電流的階躍為：IXTRA=PSEC(DV LX)其中，D 為占空比，PS

8、EC 為次級功率，VLX 為LX 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，但實際上，標準 1:1 變壓器具有適當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。需要注意額外負載是如何引起初級紋波電流變化的。圖 4 中的粗線簡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?？傊?，由主電感變壓器產(chǎn)生輔助電源輸出的優(yōu)勢在于：1)具有正或負輔助電源輸出；2)準穩(wěn)壓輔助電源輸出；3)輔助電源輸出與主電源輸出，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)成的標準 1:1 變壓器。缺點：1)

9、初級紋波電流增大，增加了非連續(xù)電流的出現(xiàn)時間；2)輔助電源輸出有最小負載的要求；3)主電源正輸出有最小負載的要求以維持LX 的開關(guān)操作。圖 7：C5、D2、C6 和 L2 組成了一個 SC 拓撲。由電荷泵產(chǎn)生負輔助電源輸出LX 端電壓的偏移可被用來產(chǎn)生提供非穩(wěn)壓輔助負輸出的電荷泵的輸入源。由于 LX 處的電壓沒有與VIN 的變化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。，當電源開關(guān)在電源周期開始時關(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 D1 在反激周期中導通時，C7 內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移到C8 和負載。R6 是一個很重要的附加元件，它限制流過 C7 的峰

10、值電流。如果沒有R 6，電流值將超過電源開關(guān)的電流限制，導致電源周期的提前結(jié)束，甚至關(guān)閉被保護的降壓轉(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：VOUT_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)計工程師可以評估負載變化時電荷泵的輸出電壓。電荷泵輔助電源的開路輸出電壓近似為：-VAUX_OIC=VLX+VDIODE_1-VDIODE_2-VDIODE這里假設(shè)C8 上的電荷不會產(chǎn)生電壓毛刺(+20%)。帶有負載電阻的電荷泵輔助電源輸出電壓為：如果電容值在 1 至 10F 的范圍內(nèi)，R1 將成為主要的源阻抗。輸出紋波

11、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)的負輸出。這種配置的優(yōu)勢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 4IOUT_AVE)以產(chǎn)生合適的輔助負載電流；3)只提供負的輔助電源輸出；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載的要求以維持LX 的開關(guān)操作。SC 輔助電源通過讓次級電感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

12、引腳上獲得負輸出。在圖 7 中，C5、D2、C6 和L2 組成一個單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SC)拓撲。在LX 引腳上驅(qū)動正輸出降壓轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換信號，與驅(qū)動負輸出的信號具有相壓。在開關(guān)導通期間，L1 上的電壓等于VLX-VOUT；在開關(guān)斷開期間，電壓等于VOUT+VDIODE_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VOUT 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SC 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 值為輔助負載電流占空比和時鐘周期的函數(shù)。若VIN=

13、15V，紋波為 1%，輸出電流為 200mA，T=8s(MAX5035)，DMIN=0.3，則有 C5MIN=3.2F。本例選擇 10F 的C5MIN。這一系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：1)準穩(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)只需單個的磁元件(現(xiàn)成的 1:1 變壓器)。系統(tǒng)的缺點在于：1)只提供-VOUT；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立，在主降壓轉(zhuǎn)換電感中增加了線圈、二極管和電，且輸出經(jīng)過了適當穩(wěn)壓。通過采用 1:1 變壓器(對MAX5035 采用的變壓器為Cooper容的反激電路非常有Bussmann DRQ125-101)，輔助電源輸出可以等于以地或主VOUT 為參考的VOUT。輔助電源輸出電流最高可達主電源輸出電流的 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方案(沒有額外的電感線圈)。由于 值電流和電壓與該拓撲相關(guān)，所以該方案適用于低功率輸出。開路時的輸出約為-VIN，并隨著輔助電源輸出上負載的增大而降低。建議最大負載為主電源正輸出的