如何從主電感變壓器產(chǎn)生輔助電源

許多系統(tǒng)除了需要主電源外還需要低功率電源。一個(gè)典型例子就是當(dāng)模擬前端放大器需要±5V電源時(shí)，主數(shù)字電路只需要+5V電源。由于成本、庫(kù)存管理、電磁兼容等原因，采用單獨(dú)的-5V轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)這個(gè)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(kāi)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(lái)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：(VIN(MAX)-VDIODE)VVLXV(VIN(MIN)-VDIODE)在電源周期(LX連接VIN)內(nèi)，主電感L1上的電壓為：(VIN(MAX)-VOUT)VVINDV(VIN(MIN)-VOUT)ONDCl103VCL22rn卜10DVC40.1mFSFDN3ST—C3O.InFV|NIXVOFB8GNUGhUMAX㈱5—'noDtI'MmHONDCl103VCL22rn卜10DVC40.1mFSFDN3ST—C3O.InFV|NIXVOFB8GNUGhUMAX㈱5—'noDtI'MmHVO3B-InCNDR12RIB-?—.、<■<叮圖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(kāi)關(guān)斷開(kāi)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(kāi)始連續(xù)電流操作就開(kāi)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。⑴計(jì)算內(nèi)部LX開(kāi)關(guān)的功率消耗：PSW=(ISW_RMS)2RON_SW計(jì)算IC的靜態(tài)功率消耗：PI_QUIESCENT=VINIQUIESCENT計(jì)算肖特基二極管D1的功率消耗：PDIODE=IDIODE_RMSVDIODE_FORWARD計(jì)算負(fù)載功率消耗：PLOAD=RLOAD(ILOAD_RMS)2

其中，RON_SW等于數(shù)據(jù)表給出的內(nèi)部電源開(kāi)關(guān)導(dǎo)通阻抗（從VIN引腳至LX弓|腳），RLOAD為接至電源輸出的有效阻抗，IQUIESCENT為無(wú)開(kāi)關(guān)操作時(shí)控制IC的靜態(tài)電流，IDIODE_RMS為肖特基二極管D1的正向RMS電流，VDIODE_FORWARD為肖特基二極管D1在額定電流下的正向壓降，ILOAD_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波紋，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(dāng)電感電流連續(xù)時(shí)）一般選擇波紋電流等于輸出電流的某一百分比，對(duì)于MAX5035選擇波紋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，波紋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(kāi)關(guān)峰值電流的要求，從而要求限制輔助電源汲取的電流。帥iFKD.22iiiF二圖3帥iFKD.22iiiF二圖3在這個(gè)反激電路中，輔助電源輸出旳V為參考fa丿，或者以主電源正輸出為參考丿BSTLXVU卜3SHDN3STVIAX5O35LX70SGKDFBGNDIDDrr-HD1對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，評(píng)估套件中1OOpH和68pF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(lái)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（參見(jiàn)MAX5035數(shù)據(jù)表的應(yīng)用章節(jié)）。

圖4.圖4.次級(jí)負(fù)載引起初級(jí)電感電流發(fā)生變化由于初級(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(kāi)關(guān)斷開(kāi)期間的電感壓降也相對(duì)恒定。通過(guò)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：VOUT2=N2/N1(VOUT+VDIODE)-VDIODE其中N1為初級(jí)匝數(shù)，N2為次級(jí)匝數(shù)。smiSSTMAX5D35咖smiSSTMAX5D35咖LXVDFBSGNDGND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(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)導(dǎo)通，因此輸出與輸入電壓的變化無(wú)關(guān)。選擇合適的電容C7以便在電源開(kāi)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(shuō)，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(kāi)關(guān)從閉合轉(zhuǎn)為斷開(kāi)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：IXTRA=PSEC（DxVLX）其中，D為占空比，PSEC為次級(jí)功率，VLX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。^akCLrrantdintaload^akCLrrantdintaload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)波紋電流變化的。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?？傊?，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)波紋電流增大，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(kāi)關(guān)操作。

12100葉I抄01"GSGMO卄C51Gnf訐[+'/our12100葉I抄01"GSGMO卄C51Gnf訐[+'/our<R1C2自亦片;血iF——■DJl'g甩>Ma一C7—1兀mF為壬。.盅F丄［｝那丄D2■KES1WCTP3mup^A/1*—LR5<-曲陀處L1?1DM卜1口宀廠廠-，圖7.C5、D2、C6和L2組成了一個(gè)SEPIC拓?fù)?HLN051MAX50357.1c1ZFB加l\D囲D一|聲丄LMiUlF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(lái)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(méi)有與VIN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(kāi)關(guān)在電源周期開(kāi)始時(shí)關(guān)閉，電流經(jīng)R6流過(guò)C7,并以斜坡形式開(kāi)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(guò)C7的峰值電流。如果沒(méi)有R6，電流值將超過(guò)電源開(kāi)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：VOUT_MAIN等于主降壓轉(zhuǎn)換電路的輸出。因此有：Rhx\揺tillMUX'M」7翎定菲穩(wěn)壓電荷眾的源電阻使設(shè)計(jì)工程師司以評(píng)怙負(fù)載吏佬時(shí)電荷泵的輸出電壓口電荷泵輜助電源的開(kāi)曙輸出電■壓近佩為:-VAUXOIC=VL^+VDIODE1-VDIODE2-VDIODE這里假設(shè)拆_t的電荷不會(huì)產(chǎn)生巨壓毛剌&囚砂帶頁(yè)負(fù)哉電阻的電厳輔助電潟褊岀電壓九.UXm⑴1.11=-'\l\UK：X如果電容值在1至10“F的范圍內(nèi)，R1將成為主要的源阻抗。輸出波紋幾乎全部由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(guò)調(diào)節(jié)的負(fù)輸出。這種配置的優(yōu)勢(shì)包括可以使用s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4xlOUT_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(guò)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(kāi)關(guān)操作。SEPIC輔助電源通過(guò)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)?。在LX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(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間，L1上的電壓等于VLX-VOUT；在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)期間，電壓等于VOUT+VDIODE_1。通過(guò)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VIN=15V,波紋為1%,輸出電流為200mA,T=8ps（MAX5035）,DMIN=0.3，則有C5MIN=3.2|jF。本例選擇10pF的C5MIN。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”,噪聲更小；3）由于采用耦合電感,波紋減少；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-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(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(guò)了適當(dāng)穩(wěn)壓。通過(guò)采用1:1變壓器（對(duì)MAX5035采用的變壓器為CooperBussmannDRQ125-101）,輔助電源輸出可以等于以地或主VOUT為參考的士VOUT。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(méi)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(kāi)路時(shí)的輸出約為-VIN,并隨著輔助電源輸出上負(fù)載