第8章 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)供電

第8章系統(tǒng)供電8.1穩(wěn)壓器8.2鋰電池充電管理8.3電源監(jiān)控8.4開(kāi)關(guān)電源

電源穩(wěn)壓器可分為線性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)升壓降壓穩(wěn)壓器。8.1穩(wěn)壓器

（1）、最大輸出電流Iomax

（2）、輸出電壓VO

直流穩(wěn)壓器主要指標(biāo)（3）、紋波電壓。是指疊加在VO上的交流分量，其峰峰值△VOPP一般為mV級(jí)。通常用示波器測(cè)其峰峰值或交用流電壓表測(cè)其有效值。

（4）、電壓調(diào)整率。是指在負(fù)載和溫度恒定的條件下，輸入電壓變化時(shí)，引起輸出電壓的相對(duì)變化。

有時(shí)也用穩(wěn)壓系數(shù)來(lái)表征，穩(wěn)壓系數(shù)直流穩(wěn)壓器主要指標(biāo)（5）、負(fù)載調(diào)整率。是指負(fù)載電流從零變到最大時(shí)，輸出電壓的相對(duì)變化。

（6）、輸出電阻。直流穩(wěn)壓器主要指標(biāo)（7）、轉(zhuǎn)換效率。是指輸出功率與輸入功率比值的百分比。

?＝(PO/Pi)*100%

直流穩(wěn)壓器主要指標(biāo)8.1.1線性穩(wěn)壓器

線性穩(wěn)壓器是電壓轉(zhuǎn)換電路中最常用也最易用的一種IC器件，其特點(diǎn)是：輸出電壓比輸入電壓低，輸出紋波小，工作產(chǎn)生的噪聲低；但發(fā)熱量大，效率低，體積大。

根據(jù)輸出方式的不同可分為：固定式線性穩(wěn)壓器、可調(diào)式線性穩(wěn)壓器和可關(guān)斷式線性穩(wěn)壓器。

1.固定式線性穩(wěn)壓器Vi1）、電源變壓器的選擇

Vi取9V，則V2取8V，加到二極管整流橋上的電壓為2*8V=16V。2）、濾波電容選取RLC≥(3~5)*(T/2)2.可調(diào)式線性穩(wěn)壓器圖8-2LM317和LM337常用電路2在要求電壓可調(diào)的應(yīng)用中，LM317具有極好的性能，而且它的輸出電流又可達(dá)到1.5A，輸出電壓在1.2V～37V之間連續(xù)可調(diào)，所以就不需要儲(chǔ)備許多固定電壓穩(wěn)壓器。

3.可關(guān)斷式線性穩(wěn)壓器

圖8-3LC1458典型應(yīng)用電路8.1.2開(kāi)關(guān)型升壓降壓器件

線性穩(wěn)壓器電路設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，但是當(dāng)輸入和輸出電壓壓差較大時(shí)，器件發(fā)熱較大，且輸出電壓要低于輸入電壓(以正電壓輸出為例)。

為了在較大壓差情況下實(shí)現(xiàn)較大電流輸出且器件發(fā)熱較小，或?qū)崿F(xiàn)輸出電壓大于輸入電壓的功能，可選擇使用開(kāi)關(guān)型升壓（Boost變換器）、降壓器件（Buck變換器）、降壓和升壓變換器（Buck-Boost變換器）。

DC/DC變換器就是直流/直流變換器，是開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源的核心組成部分。8.1.2開(kāi)關(guān)型升壓降壓器件

把穩(wěn)壓器當(dāng)做一個(gè)黑盒子，可以看到這個(gè)盒子如下圖:

輸入的能量通過(guò)黑盒的轉(zhuǎn)換得到輸出的能量。線性穩(wěn)壓器是把多余的能量消耗在黑盒中，從而得到需要的Vout。有沒(méi)有一種方法減少這種消耗，讓能量更充分的轉(zhuǎn)化為輸出，而不是變成熱量呢？本節(jié)將介紹一種新型電源：開(kāi)關(guān)電源。分析其讓能量高效轉(zhuǎn)化的原理。

如上圖所示，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通與關(guān)斷，負(fù)載的平均電壓為：

其中，D=t(on)/T。通過(guò)改變占空比D就可以改變負(fù)載的平均電壓，這種方法稱為脈寬調(diào)制（PWM）。

1、降壓型DC/DC變換電路（Buck）VO=qVi，q~vB占空比D~續(xù)流二極管2、升壓型DC/DC變換電路（Boost）VO=Vi/(1-q)

，q~vB占空比3、極性反轉(zhuǎn)型DC/DC變換電路（Buck-Boost）VO=-qVi/(1-q)

，q~vB占空比三種電路比較無(wú)論電感器連接在什么地方，其作用是一樣的。在穩(wěn)定狀態(tài)，電感器的平均電壓為零。V1和V2是不同時(shí)刻電感兩端的電壓，是由開(kāi)關(guān)和應(yīng)用電路電壓決定。如圖：

三個(gè)基本開(kāi)關(guān)調(diào)整器電路的輸入電壓和輸出電壓關(guān)系

設(shè)計(jì)實(shí)例－buck開(kāi)關(guān)電源

例如設(shè)計(jì)一個(gè)BUCK型降壓開(kāi)關(guān)電源，要求輸入電壓范圍10V-15V，輸出3.3V，負(fù)載電流2A，效率優(yōu)先并要求效率90%以上。對(duì)電源的功能要求，要求帶緩起（softstart），同步開(kāi)關(guān)和開(kāi)關(guān)頻率可調(diào)。

這個(gè)電路設(shè)計(jì)需要經(jīng)過(guò)芯片優(yōu)化選擇和芯片外圍電路優(yōu)化兩個(gè)步驟。

設(shè)計(jì)工具：TI:WEBENCH

(/lsds/ti_zh/analog/webench/overview.page)

1、芯片優(yōu)化選擇

1、芯片優(yōu)化選擇

進(jìn)入WEBENCH設(shè)計(jì)界面，設(shè)計(jì)要求效率優(yōu)先，可將優(yōu)化旋鈕調(diào)節(jié)在靠近“Highestefficiency”的位置（設(shè)計(jì)如果要求成本或者體積優(yōu)先則可以波動(dòng)到相應(yīng)的位置），在設(shè)計(jì)面中看到”featurefilters”，選擇所需要的功能，緩起，同步開(kāi)關(guān)和開(kāi)關(guān)頻率可調(diào)。在filterresults”中對(duì)效率“efficiency”選項(xiàng)進(jìn)行修改，拖動(dòng)滾動(dòng)條到90%位置。

WEBENCH將按照用戶輸入的條件對(duì)電源列表進(jìn)行選擇，選擇出能滿足條件的電源芯片。

2、外圍元件優(yōu)化選擇

點(diǎn)擊LM3150的“opendesign”進(jìn)入芯片外圍電路設(shè)計(jì)界面。

在設(shè)計(jì)界面中有幾個(gè)地方可以進(jìn)行優(yōu)化，一個(gè)是“優(yōu)化旋鈕”在效率、成本、面積之間優(yōu)化，一個(gè)是開(kāi)關(guān)頻率。優(yōu)化旋鈕下方可以看到優(yōu)化結(jié)果的面積、成本和效率。需要注意的是頻率的選擇框中要打勾才能進(jìn)行頻率修改。

3、方案的仿真分析（圖表、熱、穩(wěn)態(tài)、緩起）

在WEBENCH的設(shè)計(jì)界面上有“Charts”和“Schematic”兩個(gè)窗口可以對(duì)電路進(jìn)行仿真。這兩個(gè)仿真的不同之處在于“Charts”窗口是以圖表的方式將電路的參數(shù)隨輸出電流，輸入電壓的變化規(guī)律表示出來(lái)，“Schematic”窗口是用時(shí)域圖和頻域圖表示電路的暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)以及環(huán)路特性。從這兩個(gè)仿真的特點(diǎn)可以看出，“Charts”是從宏觀上分析電路，“Schematic”則分析電路的細(xì)節(jié)。電路設(shè)計(jì)者需要從整體上查看電路能否滿足輸入和輸出要求時(shí)可以進(jìn)入“Charts”進(jìn)行仿真，需要檢查電路的時(shí)域響應(yīng)時(shí)可以進(jìn)入“schematic”進(jìn)行仿真。

4、方案原理圖導(dǎo)出

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，各種小型化的便攜式設(shè)備日益增多，例如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦等。為了能夠更加有效地使用這些電子產(chǎn)品，可充電電池得到快速發(fā)展。常見(jiàn)的可充電電池包括鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰電池和聚合物電池等。其中，鋰電池以其高的能量密度、無(wú)記憶性和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。目前絕大部分的手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等均使用鋰電池。

鋰電池對(duì)充電器的要求比較高，為了有效地控制鋰電池的充電，需要對(duì)其充電過(guò)程進(jìn)行密切的監(jiān)控。目前，一般使用單片機(jī)配合一定的充電管理芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)鋰電池充電的智能管理。8.2鋰電池充電管理鋰電池8.2.1鋰電池及其充電概述

鋰離子電池以其特有的性能優(yōu)勢(shì)已在便攜式電器如筆記本、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、手機(jī)中得到普遍應(yīng)用。下面首先介紹鋰電池及其智能充電的要求。

1.鋰電池概述

鋰電池和鋰離子電池是20世紀(jì)開(kāi)發(fā)成功的新型高能電池。它是一類由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。鋰電池的正極可以采用MnO2，SOCl2，(CFx)n等。最早出現(xiàn)的鋰電池來(lái)自于發(fā)明家愛(ài)迪生。由于鋰金屬的化學(xué)特性非常活潑，使得鋰金屬的加工、保存、使用對(duì)環(huán)境要求非常高，所以鋰電池長(zhǎng)期沒(méi)有得到應(yīng)用。1992年Sony公司成功開(kāi)發(fā)鋰離子電池，使人們的手機(jī)、筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備重量和體積大大減小，使用時(shí)間大大延長(zhǎng)。由于鋰離子電池中不含有重金屬鉻，與鎳鉻電池相比，大大減少了對(duì)環(huán)境的污染。

鋰離子電池由于工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、能量高、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染、自放電小、循環(huán)壽命長(zhǎng)而成為21世紀(jì)發(fā)展的理想能源。

鋰電池以及鋰離子電池的主要特點(diǎn)如下：

(1)高能量密度，鋰離子電池的重量是相同容量的鎳鎘或鎳氫電池的一半，體積是鎳鎘電池的40%～50%，鎳氫電池的20%～30%，因此，鋰電池具有更高的重量能量比、體積能量比。

(2)高電壓，單節(jié)鋰電池電壓平均為3.6V，等于三只鎳鎘或鎳氫充電電池的串聯(lián)電壓。

(3)自放電小，可長(zhǎng)時(shí)間存放。

(4)無(wú)記憶效應(yīng)，鋰電池不存在鎳鎘電池的所謂記憶效應(yīng)，所以鋰電池充電前無(wú)須放電。

(5)壽命長(zhǎng)，正常工作條件下，鋰電池充放電循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)大于500次。

(6)多個(gè)鋰電池可以隨意并聯(lián)使用。

(7)無(wú)污染，由于鋰電池中不含鎘、鉛等重金屬元素，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，是理想的綠色電池。

(8)快速充電，如果使用額定電壓為4.2V的恒流恒壓充電器，可以使鋰離子電池在一至兩個(gè)小時(shí)內(nèi)充滿。

鋰電池與其他可充電電池相比，其價(jià)格相對(duì)較高。但是隨著技術(shù)的發(fā)展，鋰電池的性價(jià)比越來(lái)越高，目前已廣泛應(yīng)用在各類便攜式移動(dòng)設(shè)備上。

2.鋰電池充電概述

鋰電池對(duì)充電器的要求比較高，為了保護(hù)電池和最大化地延長(zhǎng)使用壽命，在充電時(shí)需要注意如下事項(xiàng)：

(1)對(duì)鋰電池需要進(jìn)行熱保護(hù)，防止發(fā)熱太大而損害鋰電池；

(2)鋰電池充電需要嚴(yán)格控制充電電壓和充電電流；

(3)為了有效利用電池容量，需將鋰電池充電至最大電壓；

(4)防止過(guò)壓充電，過(guò)壓充電對(duì)鋰電池有損害，嚴(yán)重影響電池壽命；

(5)充電結(jié)束后應(yīng)及時(shí)關(guān)斷電源。

為了達(dá)到更好的充電效果，一般首先采用預(yù)充（小電流），然后用大電流進(jìn)行快充。當(dāng)充電達(dá)到滿容量的90%后，進(jìn)行滿充（小電流涓流充電）。在充電過(guò)程中，需要采用專業(yè)的充電檢測(cè)芯片來(lái)對(duì)充電過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)，在充電電路中使用單片機(jī)來(lái)綜合進(jìn)行管理，可以做到精確的智能控制。使用單片機(jī)和充電管理芯片相結(jié)合的方法可以有效地保護(hù)電池、縮短充電時(shí)間并延長(zhǎng)電池使用壽命。8.2.2智能充電管理芯片BQ24025

鋰電池智能充電的核心是使用合適的充電管理芯片。目前市場(chǎng)上存在大量的電池充電芯片，它們可直接用于進(jìn)行充電器的設(shè)計(jì)。在選擇具體的電池充電芯片時(shí)，需要注意如下幾點(diǎn)：

(1)可充電池的數(shù)目。有的充電管理芯片可以對(duì)多節(jié)鋰電池進(jìn)行充電，有的則只可以對(duì)一節(jié)鋰電池進(jìn)行充電。

(2)充電電壓和電流值。充電電流的大小決定了充電的時(shí)間，而充電電壓不應(yīng)超過(guò)鋰電池所規(guī)定的充電電壓。

(3)充電方式。確定充電過(guò)程是快充、慢充還是可控充電過(guò)程。

1.?BQ24025概述

BQ24025是常用的鋰電池充電管理芯片。它采用小體積的3mm

×

3mmMLP封裝，可以采用AC電源適配器或者USB電源充電，并能夠自主選擇。在USB電源充電下，可以選擇100mA、500mA兩種充電電流，它具有低壓差比的特點(diǎn)，在低功耗情況下自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式。工作時(shí)允許結(jié)溫-40℃～125℃，存儲(chǔ)溫度為

-60℃～150℃，廣泛應(yīng)用于PDA、MP3、數(shù)碼相機(jī)、網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、智能電話等電子設(shè)備中。其特點(diǎn)如下：

1、輸入電壓范圍：-0.3V～7.0V；

2、功耗：40℃以下為1.5W；

3、AC輸入電壓范圍：最低為4.5V，最高為6.5V；

4、USB輸入電壓范圍：最低為4.35V，最高為6.5V；

5、AC輸入電流ICC：典型值為1.2mA，最大值為2.0mA；

輸出電壓：4.2V；

6、AC充電時(shí)輸出電流：最小為50mA，最大為1A；

7、USB充電時(shí)輸出電流：100mA時(shí)最小為80mA，最大為100mA；500mA時(shí)最小為400mA，最大為500mA；

8、控制信號(hào)低電平：≤0.4V；

9、控制信號(hào)高電平：≥1.4V。圖8-6BQ24025引腳功能圖678910引腳功能：

1腳(AC)：交流（AC）控制輸入電壓端（輸入電壓范圍4.5~6.5V）

2腳(USB)：USB控制電壓輸入端（輸入電壓范圍4.35~6.5V）

3腳(STAT1)：管理狀態(tài)輸出端1（開(kāi)漏）

4腳(STAT2)：管理狀態(tài)輸出端2（開(kāi)漏）

5腳(VSS)：接地腳

6腳(ISET1)：AC管理電池時(shí)的電流控制腳，可以超前控制并且使輸入電流逐漸適合AC/USB管理需要的電流值。即通過(guò)改變RSET的值來(lái)控制恒流充電電流IO(OUT)和充電終止的電流門檻值IO(TAPER)。

7腳(ISET2)：USB管理電池時(shí)的電流控制腳（高電平=500mA,低電平=100mA）

8腳(CE)：芯片工作使能端（低電平有效）

9腳(TS)：溫度傳感器輸入端

10腳(OUT)：被控電流輸出端

BQ24025應(yīng)用電路如圖8-7所示，該芯片既可由AC適配器供電，又可由USB端口供電，當(dāng)這兩者同時(shí)接通時(shí)，AC適配器提供的電源優(yōu)先。圖8-7BQ24025應(yīng)用電路

2.?BQ24025功能

BQ24025芯片具有溫度保護(hù)功能，電池內(nèi)部采用溫敏電阻檢測(cè)蓄電池的溫度，將得到的電壓信號(hào)輸入到TS引腳，電路如圖8-8所示。芯片內(nèi)部有兩個(gè)比較電壓ULTF(典型值2.5V)和UHTF(典型值0.5V)，當(dāng)TS引腳的電壓在這兩個(gè)電壓值之間時(shí)，可以正常充電，一旦超出這個(gè)范圍立即通過(guò)內(nèi)部的功率FET停止充電并暫停充電定時(shí)器(不復(fù)位)，當(dāng)溫度回到正常范圍時(shí)恢復(fù)充電。采用一個(gè)103AT系列的溫敏電阻時(shí)，溫度保護(hù)范圍是0℃～45℃，用戶可以通過(guò)增加兩個(gè)電阻來(lái)修改溫度保護(hù)范圍。圖8-8中，ITS

=

102μA。圖8-8BQ24025芯片溫度保護(hù)示意圖鋰電池引腳

3個(gè)腳：正極、負(fù)極、T極（溫度檢測(cè)極）

4個(gè)腳：正極、負(fù)極、T極（溫度檢測(cè)極）、檢測(cè)極

溫度檢測(cè)極：與負(fù)極間連接一個(gè)NTC電阻，該NTC電阻負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，電阻隨溫度變化，用來(lái)反應(yīng)電池的溫度。

T極（溫度檢測(cè)極）：與負(fù)極間連接一個(gè)ID電阻，該ID電阻有固定阻值,用來(lái)標(biāo)志電池的類型和容量。

BQ24025芯片充電過(guò)程可分為四個(gè)階段：預(yù)充階段、恒流充電階段、恒壓充電階段和充電終止判斷。

(1)預(yù)充階段：蓄電池經(jīng)過(guò)深度放電后，電壓降到非常低，當(dāng)UO<ULOW時(shí)，需要先對(duì)其以一個(gè)較小的電流進(jìn)行預(yù)充電，喚醒蓄電池。在AC適配器供電的情況下，預(yù)先充電電流的大小均按以下公式設(shè)置：

(8.2.1)查手冊(cè)參數(shù)表格得:UPRECHG=255mV，KSET=322。預(yù)充電時(shí)，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器，如果在時(shí)間TPRECHG(1800S,30min)到達(dá)后，電壓仍然沒(méi)有上升到門檻值，芯片會(huì)終止充電并在充電狀態(tài)輸出引腳輸出一個(gè)出錯(cuò)信號(hào)。

(2)恒流充電階段：電池電壓在預(yù)充時(shí)間段內(nèi)到達(dá)門檻值后，進(jìn)入恒流充電階段，AC適配器供電情況下，充電電流大小按以下公式設(shè)置：

(8.2.2)

USB供電情況下，充電電流大小由ISET引腳的電位決定，低電平時(shí)為100mA，高電平時(shí)為500mA。

(3)恒壓充電階段：電池電壓上升到UOREG門檻值后，開(kāi)始恒壓充電，隨著電池電荷的增多，充電電流下降。恒流、恒壓兩階段的安全充電時(shí)間TCHG為(25200s，7h)，時(shí)間到達(dá)后若電流仍未下降到門檻值，芯片最終會(huì)終止充電并在充電狀態(tài)輸出引腳輸出一個(gè)出錯(cuò)信號(hào)。

(4)充電終止判斷：電池充電是否結(jié)束以充電電流的大小決定，當(dāng)電流下降到門檻值ITAPER后，啟動(dòng)定時(shí)器，時(shí)間達(dá)到TTAPERA(1800s，30min)，充電被終止。電流門檻值ITAPER也可以由電阻RSET設(shè)置，公式如下：

(8.2.3)若電流又上升到門檻值ITAPER，將終止定時(shí)器。此外，芯片還設(shè)置了另一個(gè)門檻電流值ITERM，電流降到該值以下時(shí)，會(huì)立即停止充電。這個(gè)功能可以用來(lái)判斷電池是否與充電電路脫離或者充電輸出端是否接上一個(gè)充滿電的電池。電流門檻值ITERM也可以由電阻RSET設(shè)置，公式如下：

(8.2.4)一個(gè)充電周期完成后，若電池電壓降到UREG

=

4.1V，則會(huì)自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)充電周期。

BQ24025芯片具有睡眠功能，既無(wú)AC適配器供電也無(wú)USB供電時(shí)，進(jìn)入睡眠模式，防止電池在充電回路無(wú)輸入時(shí)放電。

BQ24025芯片具有充電狀態(tài)顯示功能，引腳STAT1、STAT2的狀態(tài)可以表示芯片的工作狀態(tài)，這是兩個(gè)漏極開(kāi)路輸出，需要接上拉電阻，具體的狀態(tài)表示如下(ON表示FET開(kāi)通，OFF表示FET斷開(kāi))：

BQ24025芯片具有定時(shí)器出錯(cuò)的恢復(fù)功能，一種情況為當(dāng)出現(xiàn)充電電壓在充電門檻值UREG以上時(shí)，定時(shí)器出錯(cuò)，該錯(cuò)誤恢復(fù)方法是等待電池電壓降到UREG以下，清除出錯(cuò)狀態(tài)進(jìn)入下一個(gè)充電周期，這種情況發(fā)生在電池帶負(fù)載、自放電或電池被移去時(shí)。另一種情況為當(dāng)充電電壓在充電門檻值UREG以下時(shí)，定時(shí)器出錯(cuò)，該錯(cuò)誤恢復(fù)方法是輸出一個(gè)小電流IFAULT，直到電池電壓上升到UREG，然后按照上一種情況進(jìn)行恢復(fù)。管理流程（見(jiàn)PDF）8.2.3BQ24025的單片機(jī)控制

BQ24025芯片可獨(dú)立構(gòu)成充電系統(tǒng)，使用單片機(jī)可更好地實(shí)現(xiàn)智能控制，如自動(dòng)斷電、充電完成報(bào)警等。圖8-9所示為單片機(jī)控制的BQ24025芯片構(gòu)成的充電系統(tǒng)。圖8-9單片機(jī)控制BQ24025芯片電路圖

8.3.1電源監(jiān)控概述

在系統(tǒng)上電時(shí)或由于電源短時(shí)間斷電導(dǎo)致系統(tǒng)電源波動(dòng)時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致微控制器件程序跑飛或系統(tǒng)死機(jī)。為了保證系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行，必須對(duì)系統(tǒng)電源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在監(jiān)測(cè)到可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運(yùn)行的情況時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。電源監(jiān)控器件就是實(shí)現(xiàn)這種功能的芯片。它廣泛應(yīng)用于微處理器系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、嵌入式控制器、PDA和手持式設(shè)備、電池供電系統(tǒng)、無(wú)線電通信系統(tǒng)等。8.3電源監(jiān)控8.3.2常用電源監(jiān)控芯片

電源監(jiān)控芯片種類繁多，各大半導(dǎo)體廠商都有其電源監(jiān)控系列芯片，在此以Sipex公司生產(chǎn)的電源監(jiān)控元件(如表8-3所示)為例講解。

表8-3Sipex公司電源監(jiān)控芯片一覽表續(xù)表表8-3為Sipex公司生產(chǎn)的電源監(jiān)控芯片，該系列芯片的使用方法大致相同，在此以最常用的SP809為例講解芯片的使用方法。

SP809是一種單一功能的微處理器復(fù)位芯片，用于監(jiān)控微控制器和其他邏輯系統(tǒng)的電源電壓。它可以在上電、掉電和節(jié)電情況下向微控制器提供復(fù)位信號(hào)。當(dāng)電源電壓低于預(yù)設(shè)的門檻電壓時(shí)，器件會(huì)發(fā)出復(fù)位信號(hào)，在電源電壓恢復(fù)到高于門檻電壓一段時(shí)間(230ms典型值)后，這個(gè)復(fù)位信號(hào)才會(huì)結(jié)束。

SP809有效的復(fù)位輸出為低電平。其主要特性如下：

圖8-10SP809引腳封裝圖圖8-11SP809典型應(yīng)用電路

(1)精確監(jiān)控2.3V、2.6V、2.9V、3.1V、4.0V、4.4V、4.6V電源；

(2)復(fù)位延時(shí)時(shí)間最小為140ms，典型為230ms；

(3)低電平有效的RESET輸出；

(4)低至0.9V電源時(shí)仍能產(chǎn)生有效的復(fù)位信號(hào)；

(5)小型的三管腳SOT-23封裝；

(6)無(wú)需外部配件。

SP809引腳封裝如圖8-10所示。SP809后綴與精確監(jiān)控電壓值間的關(guān)系。引腳功能說(shuō)明如下：

VCC：電源端；

GND：接地端；

：復(fù)位電平輸出端。

其典型應(yīng)用電路如圖8-11所示，當(dāng)電源電壓UCC從低于SP809的監(jiān)控復(fù)位電壓到高于SP809的監(jiān)控復(fù)位電壓時(shí)，SP809的端口輸出低電平信號(hào)并維持230ms，該信號(hào)輸出到微控制器的復(fù)位引腳，從而使微控制器重新復(fù)位，保證微控制器系統(tǒng)上電時(shí)可靠復(fù)位。8.3.3單片機(jī)內(nèi)部電源監(jiān)控模塊

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，對(duì)供電電源的電壓進(jìn)行監(jiān)控是非常重要的。MSP430系列單片機(jī)中某些型號(hào)的單片機(jī)集成有供電電壓監(jiān)控模塊(SVS)，在此介紹SVS模塊的應(yīng)用。

SVS模塊用來(lái)監(jiān)控AVCC電壓或者外部輸入電壓。當(dāng)AVCC電壓或者外部輸入電壓小于用戶設(shè)定的門限時(shí)，SVS將產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)志或者產(chǎn)生自動(dòng)復(fù)位信號(hào)。SVS具有以下特點(diǎn)：

(1)監(jiān)控AVCC電壓；

(2)可選擇是否產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)；

(3)

SVS比較器的輸出可以通過(guò)軟件進(jìn)行訪問(wèn)；

(4)低電壓條件為鎖存方式，并能通過(guò)軟件進(jìn)行訪問(wèn)；

(5)可以設(shè)置14個(gè)可選的門限電平；

(6)由于有外部輸入管腳，因此可以監(jiān)控外部電壓。

為了能夠正確設(shè)置SVS模塊，對(duì)SVS模塊的寄存器進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。SVS模塊只有一個(gè)寄存器：SVSCTL。下面對(duì)SVSCTL寄存器的位分配進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，如圖8-12所示。圖8-12SVSCTL寄存器的位分配示意圖

SVSCTL寄存器主要包括以下5個(gè)有效的位字段。

VLDx：門限電平設(shè)置位字段。該位字段由4個(gè)位組成，可以設(shè)置14個(gè)門限電平，具體的門限電平參看表8-4。

表8-4VLDx的設(shè)置值PORON：復(fù)位信號(hào)產(chǎn)生控制位。當(dāng)該位為1時(shí)，檢測(cè)到SVSFG標(biāo)志后產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)；當(dāng)該位為0時(shí)，檢測(cè)到SVSFG標(biāo)志后不產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。

SVSON：SVS模塊工作狀態(tài)位。該位為只讀位，當(dāng)該位為1時(shí)，SVS模塊處于打開(kāi)狀態(tài)；當(dāng)該位為0時(shí)，SVS模塊處于關(guān)閉狀態(tài)。

SVSOP：SVS比較器輸出位。當(dāng)該位為1時(shí)，SVS比較器輸出高電平；當(dāng)該位為0時(shí)，SVS比較器輸出低電平。

SVSFG：低電壓檢測(cè)標(biāo)志位。當(dāng)該位為1時(shí)，檢測(cè)到低電壓；當(dāng)該位為0時(shí)，沒(méi)有檢測(cè)到低電壓。

使用SVSCTL模塊時(shí)，首先設(shè)置門限電平，然后根據(jù)需要設(shè)置是否產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，如果產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，則系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行復(fù)位，如果不產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，則程序需要查詢SVSFG標(biāo)志，如果一旦檢測(cè)到該標(biāo)志為1，則說(shuō)明檢測(cè)到低電壓情況發(fā)生，要進(jìn)行相應(yīng)的處理。由于SVSFG是被鎖存的，因此軟件在訪問(wèn)后需要清除該標(biāo)志。

對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)而言，通常情況下需要將我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫氖须娹D(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需電壓，這就需要用到電源。一般情況下，對(duì)于小功率場(chǎng)合(<10W)線性電源的成本低于開(kāi)關(guān)電源且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，從這方面考慮可以應(yīng)用線性電源。隨著功率的增大，開(kāi)關(guān)電源的成本低于線性電源，因此，在中大功率場(chǎng)合一般使用開(kāi)關(guān)電源。如果從節(jié)能環(huán)保方面考慮，則應(yīng)使用開(kāi)關(guān)電源。本節(jié)重點(diǎn)介紹開(kāi)關(guān)電源的簡(jiǎn)便設(shè)計(jì)方法。8.4開(kāi)關(guān)電源8.4.1開(kāi)關(guān)電源概述

開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。開(kāi)關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長(zhǎng)，但二者增長(zhǎng)速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開(kāi)關(guān)電源，這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開(kāi)關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng)，這為開(kāi)關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間。開(kāi)關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開(kāi)關(guān)電源小型化，并使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。

本節(jié)根據(jù)工程開(kāi)發(fā)的實(shí)際需要，分別介紹小功率開(kāi)關(guān)電源與中功率開(kāi)關(guān)電源的快速設(shè)計(jì)方法，對(duì)于大功率開(kāi)關(guān)電源由于涉及到比較專業(yè)的技術(shù)，感興趣的讀者可參考相關(guān)手冊(cè)。8.4.2小功率開(kāi)關(guān)電源

對(duì)于小功率開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)，通常采用單片開(kāi)關(guān)電源集成芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，目前能夠提供單片開(kāi)關(guān)電源集成芯片的廠商很多，如美國(guó)電源集成(PowerIntegrations，簡(jiǎn)稱PI)公司推出的TinySwitch系列及其該系列的升級(jí)系列TinySwitch-Ⅱ和TinySwitch-Ⅲ系列等，意-法半導(dǎo)體有限公司(簡(jiǎn)稱ST公司)開(kāi)發(fā)出的VIPer12A、VIPer22A等小功率單片開(kāi)關(guān)電源系列產(chǎn)品，荷蘭飛利浦(Philips)公司開(kāi)發(fā)的TEA1510、TEA1520、TEA1530、TEA1620等系列單片開(kāi)關(guān)電源集成電路，美國(guó)安森美半導(dǎo)體(ONSemiconductor)公司開(kāi)發(fā)的NCP1000、NCP1050、NCP1200系列單片開(kāi)關(guān)電源集成電路，中國(guó)無(wú)錫芯朋(Chipown)公司生產(chǎn)的AP8022系列單片開(kāi)關(guān)電源集成芯片。本節(jié)以PI公司的TinySwitch-Ⅱ系列的TNY268為例，利用其設(shè)計(jì)軟件PIExpert介紹小功率開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法及過(guò)程。

1.?PIExpert的主要特點(diǎn)

PIExpert是美國(guó)PI公司推出的隔離式AC/DC變換器和DC/DC電源變換器設(shè)計(jì)系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)如下：

(1)

PIExpert是基于PC的設(shè)計(jì)軟件，它能根據(jù)設(shè)計(jì)人員輸入的技術(shù)指標(biāo)來(lái)確定開(kāi)關(guān)電源的最佳拓?fù)潆娐罚ㄔ骷x擇(確定輸入濾波電容、鉗位保護(hù)電路、高頻變壓器、輸出整流管等關(guān)鍵元器件的型號(hào)和參數(shù)值)和高頻變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，幫助用戶迅速完成一個(gè)低成本、高效率、隔離式開(kāi)關(guān)電源或DC/DC電源變換器的設(shè)計(jì)。單片開(kāi)關(guān)電源可選擇連續(xù)模式或不連續(xù)模式，最大輸出功率可達(dá)300W。

(2)該軟件采用交互式設(shè)計(jì)模式，具有直觀的圖形界面(包括產(chǎn)品選擇指南、設(shè)計(jì)結(jié)果和設(shè)計(jì)提示)，引導(dǎo)用戶完成設(shè)計(jì)。它可幫助用戶設(shè)置PI器件所提供的先進(jìn)電源特性，例如過(guò)電壓和欠電壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、外部電流限制等。在設(shè)計(jì)結(jié)果中還包含各種電路的示意圖。

(3)新增加了多路輸出式開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，最多可支持六路輸出(允許有一路負(fù)壓輸出)，并可選擇低成本優(yōu)化設(shè)計(jì)或高效率優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化過(guò)程是首先生成多種設(shè)計(jì)方案，然后與PI公司編譯專家設(shè)計(jì)的規(guī)范數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較，并給每種設(shè)計(jì)方案打分，最后以分?jǐn)?shù)最高的作為最佳設(shè)計(jì)方案。

(4)新版本中將專供設(shè)計(jì)高頻變壓器使用的輔助工具軟件PITransformerDesigner作為PIExpert的一部分，從而可在PIExpert中快速、方便地完成高頻變壓器的全部設(shè)計(jì)。在PIExpert中更改設(shè)計(jì)時(shí)，高頻變壓器參數(shù)也會(huì)相應(yīng)更新，這是其顯著特點(diǎn)。最新版本中支持最新出品的器件系列，如您使用的版本不支持需使用的器件，請(qǐng)登錄http:///網(wǎng)站下載最新軟件包。

(5)能根據(jù)輸出功率選擇鉗位電路的類型，計(jì)算所需元件值并給出元件編號(hào)。

(6)能提供輸入級(jí)EMI(電磁干擾)濾波器的建議，可根據(jù)輸出功率選擇合適的EMI濾波器，并給出濾波元件值及元件編號(hào)。

(7)能自動(dòng)生成開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖、部分單元電路和數(shù)據(jù)表格，所增加的恒壓/恒流(CV/CC)輸出選項(xiàng)以及對(duì)設(shè)計(jì)反饋電路的支持，能為設(shè)計(jì)電池充電器提供方便。

(8)支持選用LinkSwitch-CV和LinkSwitch-Ⅱ，完成隔離式LED驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)功能。

2.?PIExpert的典型設(shè)計(jì)步驟

PIExpert系統(tǒng)是采用圖形用戶界面(GraphicalUserInterfaces，GUI)、面向初學(xué)者和專業(yè)技術(shù)人員、能快速完成單片開(kāi)關(guān)電源優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)用工具軟件。它通過(guò)接受用戶輸入的開(kāi)關(guān)電源規(guī)格參數(shù)，自動(dòng)生成由PI器件構(gòu)成的單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方案。利用該程序中的“產(chǎn)品選擇指南”，可幫助對(duì)PI器件還不太熟悉的用戶，根據(jù)輸入電源的規(guī)格來(lái)選擇最適合的PI系列產(chǎn)品及外圍元件，計(jì)算所選PI器件在指定的最低輸入電壓下提供滿載功率所需輸入濾波電容的最小值，得到經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高頻變壓器完整的數(shù)據(jù)表格，并根據(jù)所指定的輸出功率選擇最小尺寸的磁芯和骨架，以降低成本和體積。

下面通過(guò)一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例來(lái)介紹PIExpert用戶界面的主要特點(diǎn)及快速設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)一個(gè)常用電源，總輸出功率為8W。兩路輸出分別為12V/0.3A、5V/1A。

(1)打開(kāi)PIExpert，其主菜單如圖8-13所示。主菜單包括文件(File)菜單、視圖(View)菜單、工具(Tools)菜單和幫助(Help)菜單。用鼠標(biāo)左鍵單擊圖中每個(gè)菜單的名稱，即可看到該菜單的選項(xiàng)。圖8-13PIExpert的主菜單工具欄主要按鈕的功能如下：

—新建一個(gè)設(shè)計(jì)文件，運(yùn)行PIExpert設(shè)計(jì)向?qū)?。使用PIExpert系統(tǒng)的設(shè)計(jì)向?qū)?，可為?jiǎn)化單片開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)提供另一種解決方案，單擊該按鈕，即可利用PIExpert設(shè)計(jì)向?qū)?，幫助用戶進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)。

—運(yùn)行產(chǎn)品選擇指南。

—打開(kāi)一個(gè)設(shè)計(jì)文件，運(yùn)行PIExpert設(shè)計(jì)向?qū)А?/p>

—將設(shè)計(jì)結(jié)果保存為帶有.UDS擴(kuò)展名的文件。

—打印設(shè)計(jì)結(jié)果(僅對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果面板有效)。

—PIViewer瀏覽器。

—PIXlsDesigner電子數(shù)據(jù)表格。

—網(wǎng)上的高頻變壓器供應(yīng)商列表。

—PI公司的網(wǎng)上樣品庫(kù)。

(2)單擊新建設(shè)計(jì)按鈕，運(yùn)行PIExpert設(shè)計(jì)向?qū)АＪ紫葟棾龅脑O(shè)計(jì)選項(xiàng)面板如圖8-14所示。該面板有5個(gè)設(shè)計(jì)選項(xiàng)，每個(gè)選項(xiàng)都有一個(gè)下拉菜單。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇反激式(Flyback)，PI器件選擇TinySwitch-Ⅱ，采用DIP-8無(wú)鉛封裝，開(kāi)關(guān)頻率選120kHz。圖8-14設(shè)計(jì)選項(xiàng)面板

(3)單擊“下一個(gè)”，進(jìn)入如圖8-15所示的輸入面板。交流默認(rèn)值為世界通用的交流輸入范圍“Universal(85～265V)”。

(4)單擊“下一個(gè)”，進(jìn)入輸出面板。單擊“添加”按鈕，在輸出編輯對(duì)話框內(nèi)設(shè)定第一路輸出為12V/0.3A。再用添加方式設(shè)定第二路輸出為5V/1A。設(shè)置好的輸出面板如圖8-16所示。圖8-15輸入面板圖8-16設(shè)置好的輸出面板

(5)單擊“下一個(gè)”，進(jìn)入設(shè)計(jì)設(shè)置面板。輸入新設(shè)計(jì)的文件名“8W實(shí)驗(yàn)電源”，進(jìn)行優(yōu)化時(shí)的元件集使用全部記錄(AllRecords)，選擇使用屏蔽繞組(UseShieldWinding)，采用國(guó)際單位制(SI單位)，并選擇顯示新的設(shè)計(jì)設(shè)置(ShowSettingforNewDesign)。設(shè)計(jì)好的設(shè)計(jì)設(shè)置面板如圖8-17所示。指定完成所有優(yōu)化設(shè)計(jì)后屏幕將要顯示的為結(jié)構(gòu)框圖。圖8-17設(shè)計(jì)好的設(shè)計(jì)設(shè)置面板

(6)單擊“完成”按鈕，顯示解決方案過(guò)濾器面板，如圖8-18所示。利用該面板可設(shè)置最佳解決方案的數(shù)目，并指定主輸出的匝數(shù)、磁芯尺寸的優(yōu)化設(shè)置。

(7)單擊“確定”按鈕，即可顯示出可能的組合方案面板供用戶選擇，如圖8-19所示?，F(xiàn)選擇默認(rèn)的解決方案1(Solution1)。若單擊選擇區(qū)按鈕“SelectFields”，還可彈出解決方案1的復(fù)選框(從略)。

(8)單擊“打開(kāi)”按鈕，即可獲得8W實(shí)驗(yàn)電源的結(jié)構(gòu)框圖，如圖8-20所示。窗口提示為“設(shè)計(jì)通過(guò)(優(yōu)化已完成)”。圖8-18解決方案過(guò)濾器面板圖8-19可能的組合方案面板圖8-208W實(shí)驗(yàn)電源的結(jié)構(gòu)框圖

(9)單擊“設(shè)計(jì)結(jié)果”按鈕，可得到8W實(shí)驗(yàn)電源的全部設(shè)計(jì)結(jié)果表格。圖8-21中僅顯示出EMI濾波器和一次側(cè)鉗位保護(hù)電路的設(shè)計(jì)結(jié)果表格。

(10)最后單擊“變壓器構(gòu)造”按鈕，得到高頻變壓器的設(shè)計(jì)結(jié)果(包括電特性原理圖和繞組結(jié)構(gòu)圖)，如圖8-22所示。圖8-21EMI濾波器和一次側(cè)鉗位保護(hù)電路的設(shè)計(jì)結(jié)果表格圖8-22高頻變壓器的設(shè)計(jì)結(jié)果8.4.3中功率開(kāi)關(guān)電源

對(duì)于中功率開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)，本書(shū)不過(guò)多講解其設(shè)計(jì)原理，在此以Fairchild公司生產(chǎn)的FS7M0880芯片設(shè)計(jì)中功率開(kāi)關(guān)電源為例，講解中功率開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)本節(jié)的學(xué)習(xí)，讀者可學(xué)會(huì)250W以內(nèi)的開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法。

1.?SMPS設(shè)計(jì)概述

正激式電源因?yàn)殡娐泛?jiǎn)單的緣故而在中低功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中得到了廣泛的使用。圖8-23所示為采用FPS的基本隔離式正激AC/DC開(kāi)關(guān)電源的原理圖，它同時(shí)也是本文所描述的設(shè)計(jì)程序的參考電路。由于MOSFET和PWM控制器以及各種附加電路都被集成在了一個(gè)封裝中，因此，SMPS的設(shè)計(jì)比分立型的MOSFET和PWM控制器解決方案要容易得多。

本節(jié)提供了針對(duì)基于FPS的隔離式正激AC/DC開(kāi)關(guān)電源的步進(jìn)式設(shè)計(jì)程序，包括變壓器設(shè)計(jì)、復(fù)位電路設(shè)計(jì)、輸出濾波器設(shè)計(jì)、元件選擇和反饋環(huán)路設(shè)計(jì)。這里描述的設(shè)計(jì)步驟具有足夠的通用性，可適用于不同的應(yīng)用。本節(jié)介紹的設(shè)計(jì)程序還可以由一個(gè)軟件設(shè)計(jì)工具(FPS設(shè)計(jì)助手FPSDesignAssistant)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而使得設(shè)計(jì)師能夠在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)完成SMPS設(shè)計(jì)。圖8-23采用FPS的基本隔離式正激AC/DC開(kāi)關(guān)電源

2.設(shè)計(jì)步驟

下面以圖8-23所示的原理圖為參考來(lái)介紹中功率開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)程序。一般而言，對(duì)圖8-23，大多數(shù)FPS從引腳1到引腳4的引腳配置都是相同的。

第一步：確定系統(tǒng)規(guī)格。

(1)輸入電壓范圍(和)：圖8-23中所示的倍壓電路通常是用于通用型輸入的。于是，最小線路電壓比實(shí)際最小線路電壓大一倍。

(2)輸入電壓頻率(fL)。

(3)最大輸出功率(PO)。

(4)估計(jì)效率(Eff)：需要估計(jì)功率轉(zhuǎn)換效率以計(jì)算最大輸入功率。如果沒(méi)有參考數(shù)據(jù)可供使用，則對(duì)于低壓輸出應(yīng)用和高壓輸出應(yīng)用，應(yīng)分別將Eff設(shè)定為0.7～0.75和0.8～0.85。

利用估計(jì)效率，可由下式求出最大輸入功率：

(8.4.1)根據(jù)最大輸入功率來(lái)選擇合適的FPS。由于對(duì)正激式轉(zhuǎn)換器而言，MOSFET上的電壓約為輸入電壓的兩倍，因此，對(duì)于通用型輸入電壓，建議采用具有額定電壓為800V的MOSFET的FPS。具有合適額定功率的FPS系列產(chǎn)品也包含于軟件設(shè)計(jì)工具中供選用。

第二步：確定輸入整流濾波電容(CDC)和DC電壓范圍。

最大DC電壓紋波由下式得出：

(8.4.2)式中，Dch為規(guī)定的輸入整流濾波電容充電占空比(如圖8-24所示)，其典型值為0.2。

一般將設(shè)定為的10%～15%。對(duì)于倍壓電路，采用了兩個(gè)串聯(lián)電容器，它們的電容值均為由(8.4.2)式所決定的電容值的兩倍。利用求得的最大電壓紋波，可由下式來(lái)計(jì)算最小和最大DC電壓：

(8.4.3)

(8.4.4)圖8-24DC耦合線電壓波形第三步：確定變壓器復(fù)位方法和最大占空比(Dmax)。

正激式轉(zhuǎn)換器的一個(gè)固有局限是必須在MOSFET關(guān)斷期間對(duì)變壓器進(jìn)行復(fù)位，因此應(yīng)采用附加復(fù)位方案。兩種最常用的復(fù)位方案是輔助繞組復(fù)位和RCD復(fù)位。根據(jù)復(fù)位方案的不同，設(shè)計(jì)方法可稍做改動(dòng)。

(1)輔助繞組復(fù)位：圖8-25給出采用輔助繞組復(fù)位的正激式轉(zhuǎn)換器的基本電路圖。該方案在效率方面具有優(yōu)勢(shì)，原因是存儲(chǔ)在磁化電感器中的能量返回到輸入端。不過(guò)，變壓器的構(gòu)造由于復(fù)位繞組的增加而變得更加復(fù)雜。圖8-25采用輔助繞組復(fù)位的正激式轉(zhuǎn)換器

MOSFET上的最大電壓以及最大占空比由下式給出：

(8.4.5)

(8.4.6)

式中，Np和Nr分別為初級(jí)繞組和復(fù)位繞組的匝數(shù)。

由式(8.4.5)和式(8.4.6)可見(jiàn)，可通過(guò)減小Dmax的方法來(lái)降低MOSFET上的最大電壓。然而，減小Dmax會(huì)導(dǎo)致次級(jí)側(cè)上的電壓增大。因此，正確的設(shè)置是Dmax

=

0.45且Np

=

Nr。對(duì)于輔助繞組復(fù)位，建議采用其占空比在內(nèi)部被限制于50%以下的FPS，以防止在瞬變過(guò)程中發(fā)生磁芯飽和。

(2)

RCD復(fù)位：圖8-26所示為采用RCD復(fù)位的正激式轉(zhuǎn)換器的基本電路圖。該方案的一個(gè)缺點(diǎn)是存儲(chǔ)在磁化電感器中的能量在RCD緩沖器中被消耗掉了，這一點(diǎn)與采用復(fù)位繞組法的場(chǎng)合是不同的。但是，它卻因?yàn)楹?jiǎn)單而被廣泛應(yīng)用于許多對(duì)成本敏感的SMPS。圖8-26采用RCD復(fù)位的正激式轉(zhuǎn)換器最大電壓和緩沖電容器標(biāo)稱電壓由下式得出：

(8.4.7)

(8.4.8)

由于緩沖電容器電壓是固定的且?guī)缀跖c輸入電壓無(wú)關(guān)，因而與復(fù)位繞組法(此時(shí)轉(zhuǎn)換器工作于一個(gè)很寬的輸入電壓范圍內(nèi))相比，MOSFET電壓減小了。

為了避免發(fā)生諧波振蕩，建議將Dmax設(shè)定在0.5以下?？紤]到初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)的電壓，正確的做法是將Dmax設(shè)定為0.45。

第四步：確定輸出電感器電流的紋波因數(shù)。

圖8-27所示為輸出電感器的電流波形。紋波因數(shù)被定義為：

(8.4.9)

式中，IO為最大輸出電流。

對(duì)于大多數(shù)實(shí)際設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，將KRF設(shè)定為0.1～0.2是合理的。

一旦確定了紋波因數(shù)，則可由下式求得MOSFET的峰值電流和rms(均方根)電流：

(8.4.10)

(8.4.11)

圖8-27輸出電感器電流和紋波因數(shù)

式中，

(8.4.12)

檢查一下MOSFET最大峰值電流()是否低于FPS的內(nèi)置的逐個(gè)周期的漏極電流限制值(Ilim)。

第五步：確定變壓器的合適磁芯和初級(jí)線圈的最少匝數(shù)以防止磁芯飽和。

實(shí)際上，磁芯的初始選擇肯定是很粗略的，因?yàn)樽兞刻嗔?。選擇合適磁芯的方法之一是查閱制造商提供的磁芯選擇指南。如果沒(méi)有合適的參考資料，可采用下面的公式作為一個(gè)起點(diǎn)。

(8.4.13)式中，Aw為窗口面積，Ae為磁芯的截面積(單位：mm2)，如圖8-28所示。fs為開(kāi)關(guān)頻率，為正常操作狀態(tài)下的最大磁通密度增量(單位：T)。如果是正激式轉(zhuǎn)換器，則對(duì)于大多數(shù)功率鐵氧體磁芯來(lái)說(shuō)通常為0.2T～0.3T。可以注意到：由于剩余磁通量密度的緣故，其最大磁通量密度擺幅要比反激式轉(zhuǎn)換器的小。圖8-28窗口面積和截面積確定了磁芯之后，即可由下式得出變壓器初級(jí)側(cè)為避免磁芯飽和而應(yīng)具有的最少匝數(shù)：

(8.4.14)

第六步：確定變壓器每個(gè)繞組的匝數(shù)。

首先確定初級(jí)側(cè)繞組與受反饋控制的次級(jí)側(cè)繞組(主輸出繞組)之間的匝數(shù)比作為一個(gè)參考值：

(8.4.15)式中，和分別為初級(jí)側(cè)繞組和次級(jí)側(cè)基準(zhǔn)輸出繞組(主輸出繞組)的匝數(shù)。為輸出電壓，為基準(zhǔn)輸出的二極管正向壓降。

然后確定正確的整數(shù)值，使得最終的大于由(8.4.14)式獲得的。初級(jí)側(cè)的磁化電感由下式得出：

(8.4.16)

式中，Al為無(wú)間隙的Al值(單位：nH/匝數(shù)2)。

另一個(gè)輸出(第二輸出)的匝數(shù)由下式來(lái)決定：

(8.4.17)

式中，UO2為輸出電壓，UF2為第二輸出的二極管正向壓降。

下一步是確定UCC繞組的匝數(shù)，UCC繞組匝數(shù)的確定因復(fù)位方法的不同而不同。

(1)輔助繞組復(fù)位：對(duì)于輔助繞組復(fù)位，UCC繞組的匝數(shù)由下式獲得：

(8.4.18)

式中，為UCC的標(biāo)稱電壓，UFa為二極管正向壓降。由于UCC與輸入電壓成正比，因此，正確的做法是將設(shè)定為UCC起始電壓以避免在正常操作期間出現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)。

(2)

RCD復(fù)位：對(duì)于RCD復(fù)位，UCC繞組的匝數(shù)由下式獲得：

(8.4.19)

式中，U＊CC為UCC的標(biāo)稱電壓。由于UCC在正常操作中幾乎是恒定的，所以，正確的做法是將U＊CC設(shè)定得比UCC起始電壓高2V～3V。

第七步：根據(jù)rms電流來(lái)確定每個(gè)變壓器繞組的導(dǎo)線直徑。

第n個(gè)繞組的rms電流由公式求出：

(8.4.20)

式中，為第n個(gè)輸出的最大電流。

當(dāng)采用輔助繞組復(fù)位時(shí)，復(fù)位繞組的rms電流如下：

(8.4.21)

當(dāng)導(dǎo)線很長(zhǎng)時(shí)(超過(guò)1m)，電流密度通常為5A/mm2。當(dāng)導(dǎo)線較短且匝數(shù)較少時(shí)，6A/mm2～10A/mm2的電流密度也是可以接受的。應(yīng)避免使用直徑大于1mm的導(dǎo)線，以防產(chǎn)生嚴(yán)重的渦電流損耗并使卷繞更加容易。對(duì)于大電流輸出，最好采用由多股較細(xì)的導(dǎo)線組成的并聯(lián)繞組，以便最大限度地減輕集膚效應(yīng)。

檢查一下磁芯的繞組窗口面積是否足以容納導(dǎo)線。所需的窗口面積由下式給出：

(8.4.22)

式中，Ac為實(shí)際的導(dǎo)體面積，KF為填充系數(shù)。在使用骨架的場(chǎng)合，填充系數(shù)通常為0.2～0.3。

第八步：確定輸出電感器的合適磁芯和匝數(shù)。

如圖8-29所示，當(dāng)正向轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)以上的輸出時(shí)，將采用耦合電感器以改善交叉電壓調(diào)節(jié)，這是通過(guò)將其各自的線圈纏繞于一個(gè)共用磁芯上來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖8-29耦合輸出電感器首先，確定該耦合電感器的兩個(gè)繞組之間的匝數(shù)比。該匝數(shù)比應(yīng)與變壓器的兩個(gè)輸出繞組的匝數(shù)比相同，如下式所示：

(8.4.23)

然后，按下式計(jì)算主輸出電感器的電感：

(8.4.24)

式中，

(8.4.25)

L1為避免發(fā)生磁芯飽和而需具有的最少匝數(shù)，由下式得出：

(8.4.26)

其中，Ae為磁芯內(nèi)截面積(單位：mm2)，Bsat為飽和磁通量密度(單位：T)。如果沒(méi)有參考數(shù)據(jù)，則采用Bsat

=

0.35T～0.4T。一旦確定了NL1，就可由(8.4.23)式求出NL2。

第九步：根據(jù)rms電流來(lái)確定每個(gè)電感器繞組的導(dǎo)線直徑。

第n個(gè)電感器繞組的rms電流由下式獲得：

(8.4.27)當(dāng)導(dǎo)線很長(zhǎng)時(shí)(超過(guò)1m)，電流密度通常為5A/mm2。當(dāng)導(dǎo)線較短且匝數(shù)較少時(shí)，6A/mm2～10A/mm2的電流密度也是可以接受的。應(yīng)避免使用直徑大于1mm的導(dǎo)線，以防產(chǎn)生嚴(yán)重的渦電流損耗并使卷繞更加容易。對(duì)于大電流輸出，最好采用由多股較細(xì)的導(dǎo)線組成的并聯(lián)繞組，以便最大限度地減輕集膚效應(yīng)。

第十步：根據(jù)額定電壓和額定電流來(lái)確定次級(jí)側(cè)的二極管。

第n個(gè)輸出的整流二極管最大電壓和rms電流由下式獲得：

(8.4.28)

(8.4.29)

第十一步：根據(jù)電壓和電流紋波來(lái)確定輸出電容器。

第n個(gè)輸出電容器的紋波電流由下式得出：

(8.4.30)

該紋波電流值應(yīng)等于或小于電容器的紋波電流規(guī)格值。

第n個(gè)輸出上的電壓紋波由下式獲得：

(8.4.31)

式中，和分別為第n個(gè)輸出電容器的電容值和有效串聯(lián)電阻(ESR)。由于電解電容器具有較高的ESR，所以有的時(shí)候只采用一個(gè)輸出電容器是不可能滿足紋波規(guī)格要求的。因而可以使用附加LC濾波器(后置濾波器)。在使用附加LC濾波器時(shí)，請(qǐng)當(dāng)心不要把轉(zhuǎn)折頻率設(shè)置得過(guò)低。轉(zhuǎn)折頻率過(guò)低有可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定或限制控制帶寬。正確的做法是將濾波器的轉(zhuǎn)折頻率設(shè)定為開(kāi)關(guān)頻率的1/10～1/5左右。

第十二步：設(shè)計(jì)復(fù)位電路。

(1)輔助繞組復(fù)位：對(duì)于輔助繞組復(fù)位，復(fù)位二極管的最大電壓和rms電流由下式給出：

(8.4.32)

(8.4.33)

(2)

RCD復(fù)位：對(duì)于RCD復(fù)位，復(fù)位二極管的最大電壓和rms電流由下式給出：

(8.4.34)

(8.4.35)

正常操作狀態(tài)下緩沖網(wǎng)絡(luò)的功耗由下式獲得：

(8.4.36)式中，Usn為正常操作狀態(tài)下的緩沖電容器電壓，為緩沖電阻，n為，為MOSFET的輸出電容。應(yīng)根據(jù)功耗選擇具有合適額定瓦特?cái)?shù)的緩沖電阻器。正常操作狀態(tài)下的緩沖電容器電壓紋波由下式獲得(參見(jiàn)圖8-30)：

(8.4.37)

一般而言，5%～10%的紋波在實(shí)際情況下是合理的。圖8-30緩沖電容器電壓第十三步：設(shè)計(jì)反饋環(huán)路。

如圖8-31所示，鑒于FPS采用的是電流模式控制，因此反饋環(huán)路只需采用一個(gè)單極點(diǎn)和單零點(diǎn)補(bǔ)償電路即可實(shí)現(xiàn)。

圖8-31控制方框圖對(duì)于連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)操作，采用FPS的正激式轉(zhuǎn)換器的控制輸出傳遞函數(shù)由下式給出：

(8.4.38)

式中， ， 。

而且，為受控輸出的總有效負(fù)載電阻，被定義為。

當(dāng)轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)以上的輸出時(shí)，DC和低頻控制輸出轉(zhuǎn)換函數(shù)與全部負(fù)載電阻的并聯(lián)值成正比(由匝數(shù)比的平方來(lái)調(diào)節(jié))。于是，在(8.4.38)式中用總有效負(fù)載電阻替代了的實(shí)際負(fù)載電阻。

FPS的電壓-電流轉(zhuǎn)換比K被定義為

(8.4.39)

式中， 為峰值漏電流， 為某給定工作條件下的反饋電壓。

圖8-32所示為CCM正激式轉(zhuǎn)換器的控制輸出傳遞函數(shù)隨負(fù)載的變化情況。由于CCM正激式轉(zhuǎn)換器先天具有良好的線路電壓調(diào)節(jié)性能，因此傳遞函數(shù)與輸入電壓的變化無(wú)關(guān)。不過(guò)，系統(tǒng)極點(diǎn)以及DC增益則隨負(fù)載條件而改變。圖8-32CCM正激式轉(zhuǎn)換器控制輸出轉(zhuǎn)移函數(shù)隨負(fù)載的變化情況圖8-31的反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換函數(shù)由下式獲得：

(8.4.40)

式中

由圖8-32可見(jiàn)，在為CCM正激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)反饋環(huán)路過(guò)程中，最壞情況發(fā)生在滿載條件。因此，通過(guò)設(shè)計(jì)在低線路電壓和滿載條件下具有正確的相位和增益余量的反饋環(huán)路即可保證整個(gè)工作范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。

反饋環(huán)路的設(shè)計(jì)程序如下(參見(jiàn)圖8-33)：

(1)確定穿越頻率fC。當(dāng)采用附加LC濾波器(后級(jí)濾波器)時(shí)，應(yīng)將穿越頻率設(shè)定在低于三分之一后級(jí)濾波器轉(zhuǎn)折頻率的地方，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致

-180°的相位差。絕對(duì)不要把穿越頻率設(shè)定得高于后級(jí)濾波器的轉(zhuǎn)折頻率。如果穿越頻率過(guò)于靠近轉(zhuǎn)折頻率，那么，為了抵消后級(jí)濾波器的影響，就應(yīng)當(dāng)把控制器設(shè)計(jì)得具有90°以上的足夠相位余量。

圖8-33補(bǔ)償器設(shè)計(jì)在確定反饋電路元件時(shí)，有如下一些限制條件：

(1)連接至反饋引腳的電容器CB與過(guò)載條件下的保護(hù)延遲時(shí)間的關(guān)系式如下

(8.4.41)

式中，為保護(hù)反饋電壓，為保護(hù)延遲電流。這些數(shù)值在產(chǎn)品數(shù)據(jù)表里都有提供。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用，10ms～100ms的延遲時(shí)間是合適的。在某些場(chǎng)合，帶寬有可能因?yàn)檫^(guò)載保護(hù)的延遲時(shí)間要求而受到限制。

(2)與光耦合器和KA431一道使用的電阻器和應(yīng)被設(shè)計(jì)成能夠?yàn)镵A431提供合適的工作電流并確保FPS反饋電壓的完整工作變化范圍。一般而言，KA431的最小陰極電壓和電流分別為2.5V和1mA。因此，和的設(shè)計(jì)應(yīng)能滿足以下條件：

(8.4.42)

(8.4.43)式中，UOP為光二極管正向壓降(通常為1V)，為FPS的反饋電流(通常為1mA)。例如，當(dāng)UO1

=

5

V時(shí)，Rbias

<

1

kΩ且RD

<

1.5

kΩ。

3.設(shè)計(jì)示例

圖8-34所示為一輸入為市電(AC220V/50Hz)，輸出為DC5V/26A、DC12V/10A的電源。采用7M0880正激式設(shè)計(jì)。

變壓器采用EER3542骨架，各引腳纏繞線圈參數(shù)如表8-5所示。1腳→3腳應(yīng)纏繞100匝，分兩次纏繞，50匝纏繞在內(nèi)層，50匝纏繞在外層，目的是減小電磁干擾。圖8-347M0880正激式電源設(shè)計(jì)

表8-5EER3542引腳纏繞參數(shù)變壓器電氣特性如表8-6所示。輸出端濾波電感參數(shù)為：骨架27Φ16，5V端12匝(線徑1Φ

×

2股)，10

V端(線徑1.2Φ

×

1股)。

表8-6EER3542變壓器電氣特性圖8-35所示為一輸入為市電(AC220V/50Hz)，輸出為DC12V/9A的電源。采用7M0880反激式設(shè)計(jì)。一般情況下反激式的功率要小于正激式設(shè)計(jì)，正激式設(shè)計(jì)方法與反激式幾乎一致，F(xiàn)airchild公司給的設(shè)計(jì)軟件亦可用于正激式設(shè)計(jì)。圖8-357M0880反激式電源設(shè)計(jì)

表8-7EER4042引腳纏繞參數(shù)表8-8EER4042變壓器電氣特性8.4.4變壓器

在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)過(guò)程中，電路的參數(shù)大部分都可以通過(guò)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算得出，根據(jù)計(jì)算出的參數(shù)直接向電子元件廠商購(gòu)買即可。只有變壓器需設(shè)計(jì)人員自己試制，成功后由變壓器生產(chǎn)廠家根據(jù)設(shè)計(jì)人員給出的參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。雖然開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)軟件都給出了變壓器設(shè)計(jì)參考參數(shù)，但是這些參數(shù)必須經(jīng)過(guò)具體實(shí)驗(yàn)才可確定其實(shí)用性。因此，在此介紹變壓器設(shè)計(jì)有關(guān)內(nèi)容。

1.變壓器結(jié)構(gòu)

對(duì)于反激式變壓器的結(jié)構(gòu)有兩種主要的設(shè)計(jì)方法，它們是：

(1)邊沿空隙法(MarginWound)，方法是在骨架邊沿留有空余以提供所需的漏電和安全要求。

(2)

3層絕緣法(TripleInsulated)，次級(jí)繞組的導(dǎo)線被做成3層絕緣以便任意兩層結(jié)合都滿足電氣強(qiáng)度要求。

安全要求、漏電和電氣強(qiáng)度要求以適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)列出，例如對(duì)于ITE，在美國(guó)包含于UL1950中，在歐洲包含于EN60950(IEC950)。5mm～6mm的漏電距離通常就足夠了，因此在邊沿的應(yīng)用中初、次級(jí)間通常留有2.5mm～3mm的空間。圖8-36給出邊沿空隙法結(jié)構(gòu)和3層絕緣法結(jié)構(gòu)。邊沿空隙法結(jié)構(gòu)是最常用的類型。邊沿空隙法結(jié)構(gòu)由于材料成本低具有很高的性價(jià)比。3倍絕緣法結(jié)構(gòu)變壓器體積可以做的很小，因?yàn)槔@組可以利用骨架的全部寬度，邊沿不需要留空隙，但是材料成本和繞組成本比較高。圖8-36(a)給出邊沿空隙法結(jié)構(gòu)，此例中邊沿空間由被切割成所想要邊沿寬度的帶子實(shí)現(xiàn)，這種帶子通常需要1/2爬電距離(如6mm爬電距離時(shí)為3mm)。邊沿帶子繞的層數(shù)與繞組高度相匹配。磁芯的選擇應(yīng)是可利用的繞組寬度至少是所需爬電距離的2倍，以維持良好的耦合和使漏感減到最小。初級(jí)繞組是骨架中的第一個(gè)繞組，繞組的起始端(和初級(jí)緊