电源电路设计分析实例(经典分析)

2020-10-06 17:44字体:
  

  电源电途打算剖判实例(经典剖判)_电子/电途_工程科技_专业材料。电源电途打算剖判实例(经典剖判)

  电源电途打算剖判实例(经典剖判) 众所皆知,电源电途打算,乃是正在全部电途打算中最根底的必备时刻,于是,正在接下来的文 章中,将会针对实体电源电途打算的案例做基础的讨论。 电源 device 电途 ※输出电压可变的基准电源电途 (特质:运用专用 IC 基准电源电途) 图 1 是分流基准(shunt regulator)IC 组成的基准电源电途,本电途能够欺骗外置电阻 Vr1 与 R3 的设定,使输出电压正在+2.5V-5V 边界内转化,输出电压 Vout 可欺骗下式求得: ----------------------(1) Vref: 内部的基准电压 。 图中的 TL431 是 TI 的编号,NEC 的编号是 μPC1093,新日本无线, 日立的编号是 HA17431,东芝的编号是 TA76431。 ※输出电压可变的高精度基准电源电途 (特质:高精度、电压可变) 形似 REF-02C 属于高精度、输出电压弗成变的基准电源 IC,于是打算上必定追加图 2 的 OP 增幅 IC,欺骗该 IC 的 gain 使输出电压形成可变,它的电压转化边界为+5-+10V。 ※欺骗单电源创制正负电压同时站立的电源电途 (特质:正负电压同时站立) 固然电池 device 的电源单位,广泛是由电池组成单电源电途,可是某些境况央浼电源电 途具备负电源电压。 图 3 的电源电途可输出由单电源送出的不乱化正、负电源,平常这类型的电源电途是以 正电压算作基准再发作负电压,于是负电压的站立较舒缓,可是图 3 的电源电途正、负电 压却能够同时站立,图 4 中的 TPS60403 IC 可使输入的电压极性反转。 ※40V 最大输出电压的 Serial Regulator (特质:能够输出三端子 Regulator IC 无法供给的高电压) 固然三端子 Regulator IC 的输出电压大约是 24V,可是若越过该电压时电途打算上必定 与 IC 以 disk lead 等组件整合。 图 5 的 Serial Regulator 最大能够输出+40V 的电压, 图中 D2 Zener 二极管的输出电压 被设定成一半操纵,再用 R7 VR1 R8 将输出电压分压,使该电压能与 VZ2 的电压划一藉 此才华定夺天命。必定谨慎的是 R7 R8 若太大的话,会激发输出电压噪声上升与震动等问 题;反 R7 R8 之若太小的话,会有发烧浪费电力之虞,于是平常以 R7 R8 2-5K 斗劲合意。 ※输出电压为 40-80 的 Serial Regulator (特质:欺骗 disk lead 组件输出高电压) 图 6 是能够输出电压为 40-80 的 Serial Regulator,因为本电途的输出电压非凡高,因 此无法运用 OP 增幅 IC。图中的 VCEO 是欺骗 120V 的 2SC2240-GR 组成偏差增幅器。 另外本电途还追加 TR5 与 Cascode 增幅器,藉此改观偏差增幅器的频率特点。 2SK373-Y 是 VDS=100V 的 FET,它能够组成高耐压的定电流电源。除了 FET 以外 还能够运用最大运用电压为 100V ,定格电力为 300MW ,石冢电子的定电流二极管 E-202。 ※输出电压为 150V 的高电压 Serial Regulator (特质:设有输出短途维持电途) 如图 7 所示本 Serial Regulator 的 base 的共通增幅电途与 OP 增幅器输出端相接,于是 能够输出高电压。要是输出爆发短途的线 的维持电途就会举措,TR3 将流入 120MA 控制正在 边界内,此时输入电压会施加至 TR2 的 drain 与 source 之间,因此会有 20W 左 右的牺牲。 ※输出电压为 400V 的高电压 Serial Regulator (特质:设有输出短途维持电途) 如图 8 所示偏差增幅器的基准电位与输出电位相接,酿成浮动增幅型 Serial Regulator。 固然电源变压器(transistor)必定运用偏差增幅器专用的绕线,可是偏差增幅器是由 OP 增幅器组成,于是非凡合用于高电压 Regulator。另外为避免输出短途时的大电力牺牲,因 此维持电途具备倒 V 型特点。 ※TO-220 封装的非绝缘型 Step Down Converter (特质:无封装面积变大之虞,可将线性电源形成 switching 电源) 三端子 Regulator 的牺牲若越过 3W 时,冷却片的面积会变得非凡大,于是必定改用非 线性并且服从极高较不易发烧的 switching type DC-DC Converter, 可是实质上因为 DC-DC Converter 运用的组件数目非凡众,于是有也许酿成封装面积过大等题目。 如图 9 所示若运用与三端子 Regulator 同级的 T0-220 封装驾驭 IC,就能得回输入电压 为 8-24V ,输出 5V,电流为 3.5A 的 Step Down Converter。这种 Converter 最大特质是 组织简易举措不乱,并且运用组件的数目非凡少,于是不需用心改换印刷电途板的 pattern, 或是忧虑封装面积变大等困扰,固然价值稍为偏高可是 Serial Regulator 险些征求全豹的规 格。 本电途是由外置的二极管(diode)、电容、线圈,以及设定电压的电阻所组成,只要电 容斗劲特别必定运用 switching 电源专用低阻抗(impedance)type。 PQ1CG 系列的产物险些函盖拥全豹电压、电流规格,从 2.5V 低输出电压到 5A 以下机 型一应具全并且都仍然商品化。外 1 是 TO-220 封装非绝缘型 Step Down Converter IC 的 规格一览,外中的 PQ1CG3032FZ 第五根脚兼具 soft start 与 ON/OFF 性能,于是运用上 非凡简单。 :VODJ 输出电压调理端子;feedback: 输出归返(return)端子 VC; :位相抵偿用端 子 ON/OFF:standby 端子; :输入端子 VIN; :输出端子 VOUT;NS:邦 家半导体。 外 1 T0-220 封装的 DC-DC Converter 驾驭 IC 的规格 ※寻址 Step Down Converter (特质:IC 容易得到价值低廉) 图 10 运用汗青相当万世的 Step Down Converter 驾驭 IC,它的输入电压为 8-16V ,输 出电压为 5V 600MA。本 Converter 最大特征是价值低廉容易得到。图中的 MC34063(On Semiconductor Co)举措频率被设为 45KHZ ,于是线圈与电容器的外形也许会变大,不 过只消印刷 pattern 打算得宜的话,上述题目对举措上尚不致组成困扰。 务必谨慎的是形似新日本无线A,固然是特点一样的 IC,可是 组织上却纷歧样, 只要邦度半导体的 LM2574N-ADJ 与 Sunken 的 SAI01 是寻址 Step Down Converter 用 IC。 ※On Board 电源用 Step Down Converter (特质:封装面积小,操作简便的 DC-DC Converter) 图 11 是欺骗寻址驾驭 IC 组成封装面积很小的 Step Down Converter,它的输入电压为 6-16V ,输出电压为 5V 450MA。 图中的 MAX738 IC 为 8pin 的 DIP 封装, 输入端的积层陶瓷电容 C2 必定靠拢 IC 的 lead 不然无法就手举措。本 IC 的举措频率为 160-170KHZ 操纵,于是周边的被动组件能够运用 lead type。 电容的等价串联阻抗必定运用低于 0.5 欧 的 type; 线圈的 inductance 为 100UH 或是 33UH。 ※服从 95%的超小型 Step Down Converter (特质:由 5*5MM 的驾驭 IC 组成) 如图 12 所示超小型 Step Down Converter,是由外型尺寸为 5*5MM 的 IC 与数个外置 组件组成,本电 途内修两个 power MOSFET 属于同步整流 type, 它能够欺骗 FBSEL 端子 的设定,使输出电压 VOUT 作 1.5 1.8 2.5V 三种切换。 ※可输出 5-10V 低噪讯 DC-DC Converter (特质:合用于电池 device 等模仿电途电源) 电池 device 的单电源,常常被央浼必定可以供给 OP 增幅器的数个模仿电途正、电源, 因为电流值相当低于是运用的组件数目相对很少。 图 13 是输入电压为 5V , 输出电压为 10V 的 DC-DC Converter,图中的 MAX865 是 8 pin 的 μMAX 封装内修 CMOS charge pump 的驾驭 IC,它只消四个外置电容就能够 1.5-6V 输入电源,创制两倍的正负电压,因为本电 途未运用线圈,因此峰值电位(spike)的噪讯(noise)非凡低。 charge pump 的电容 C1 C2 必定运用低等价串联阻抗, 耐压越过 16V 以上的电容组件, 由于加大容量时能够低落震动(ripple)电压升高服从。遵照规格书(datasheet)的记录 MAX865 内部的输出阻抗,永别是正电压端为 90 欧 ,负输出为 160 欧 (输入为 5V 时)。 若流入 5MA 的负载电流时,正电压端会发作 0.45V 的电压低浸,负电压端则发作 0.8V 的 电压低浸,央浼无电压更改的电途能够采用 MAX865 并联相接,或是改用 MAX743 type。 另外 V- 电途的负载电流较大时,基于维持电途等切磋,能够将 shot key barrier 二极管连 接于 V- 端子与 GND 端子(第 4 pin)之间。 ※可输出+5-- --5V 的 DC-DC Converter (特质:可辅助正电源编制得负电源需求) 小型量测摆设常常会有负电源需求,要是不需大电流容量时,能够运用 charge pump 的 极性反转 Converter。 图 14 的 DC-DC Converter 能够使 5V 的极性反转,同时输入 –5V 50MA 的电力,图中的 MAX860 是 8 pin 外外封装 type 驾驭 IC;外 2 是外外封装 type 驾驭 IC 的规格一览。上述 Converter 的举措频率可设定成 6K 50K 130K 三种样子,无小型化要 求时可将 VC 端子与输出端相接设定成 130K ,同时运用低容量的小型电容。图 14 的设 定值为 50KHZ ,输入电压边界为 1.5-5V ,输出阻抗为 12,最大负载电流为 50。要是 期望欺骗负载低落电压时,可将 MAX860 并联相接 。 外 2 极性反转型 Step Down Converter 驾驭 IC 的规格 ※可使电池电压上升的 Step Up Converter (特质:电池能量 100%阐明) 运用二次电池驱动的可携式电子产物, 央浼假使电池电压低浸亦能长时分举措, 于是闪现可 将 5V 的电池电压 Step Up,输出 200MA 的 Converter(图 15)。如外 3 所示具备上述功 能的 IC 品种非凡众,因为这类 IC 群众具有 shut down 端子(pin),于是可用 logic level 驾驭输出的 ON/OFF。 另外 假使 shut down 输出与输入也不会连通线圈, 使得输入电压 (电 池电压)直接被输出。央浼大电流的景象(case)倡导改用流入线圈的峰值电流极小,而 且又是固定频率的 PWM type MAX1700 IC。 外 3 Step Up Converter 驾驭 IC 的规格 ※高电压 Step Down Converter (特质:无变压器可使 100-400V 直流电压转换成 15V ) 如图 16 所示本 Step Down Converter 可将 100V 以上高电压转换成 15V,因为本电途 未运用变压器就能够得回低电压,于是运用上非凡简单。打算规格如下所示: DC 输入:100-400V 。 DC 输出:15V 200MA 。 因为驾驭端子的电压高达 5.7V ,因此输出电压无法低于 5.7V ,输出电压 VOUT 能够 从 ZenerVZ V 二极管的电压 求得: VOUT=VZ+5.7 图中的 MIP0222SY 与 power MOSFET 同样是三端子驾驭 IC,内修有 switching 电源必 需具备的全豹性能,于是只需欺骗该 IC 就能够用简便的电途,酿成高电压用 Step Down Converter, 值得一提的是与 一概级的产物有 Power Integration 公司开采的 TOP222Y; 以 外的一概级组件基础上能够从其它公司的产物型录中寻得。 为了按捺线 震动(ripple)电流,于是线 滚动的最 大电流值则是遵照 IC1 的最大电流规格设定成 500MA 。当 IC1 为 ON 时输入电压会流入 D1 D2 ,于是必定选用耐压越过 400V 的组件,此处切磋延迟(delaying)时分因此选用 耐压 600V 的 type,要是要按捺 switching 牺牲的话,就必定运用高速、高服从、低牺牲的 的二极管。 如上所述因为输入电压非凡高,因此震动电流也很高,此处为低落输出震动电压,因此 输出电容必定尽量挑选低等价串联阻抗的 type。 ※Memory Backup 电源电途 (特质:假使编制电源 OFF 时,电源接续供给电力至内存) 要是 PC 运用简便编制的话,一朝电源 OFF 时的内存电力也会一并被堵截,酿成积聚于 内存(Memory)内部的数据面对全毁的恶运。 图 17 是电源 OFF 时照旧能够支撑 SRAM 电力的电途, 当电源 ON 时镍氢二次电池举行 充电举措,电源 OFF 时二次电池便主动开释电力。 因为 SRAM 举措时的电源电压越过 4.5V 以上无法将 TR1 改换成二极管,因此欺骗 VDROP 很小的 PNP 晶体管(transistor)组成 switch。当电源 OFF 时 SRAM 的 CE2 会 形成 L level 成为待机形态。 ※World Wide 输入,三频输出简便型 Switching 电源 (特质:欺骗内修 Power MOSFET 的单芯片驾驭 IC 获 Switching 电源) 图 18 是数字、模仿混载编制用输入 World Wide/三频输出,绝缘型 Switching 电源电途, 它合用于 10-45W 的 device。 本电源电途要紧规格如下: AC 输入: 85-264V DC 输出 1: 15V 1.5A DC 输出 2: -15V 200MA DC 输出 3: 5V 3A 图 18 World Wide 输入的 Switching 电源 (输入 85 246V: ,DC 输出 1 15V 1.5A: ,DC 输出 2:-15V 200MA ,DC 输出 3:5V 3A ) 图中的 MIP0224SY 驾驭 IC 内修有 switching 电源必定具备的全豹性能, 另外本 IC 采用 与 Power MOSFET 一样的三端子 (pin) 封装, 举措上则属于平常电压形式 (mode) fly back converter,于是内修于输出段的 Power MOSFET drain 耐压高达 700V。 运用 MIP0224SY 时只需谨慎耐压题目,就能够轻松得回创制上非凡繁琐的绝缘型 Switching 电途。变压器的打算是最棘手的一环,倡导读者欺骗 Power Integration 公司的网 页,下载打算用 Excel sheet 就能够轻松打算变压器。 必定谨慎的是绝缘隔绝,特别是合用的平安外率会跟着用处有很大的不同,图 18 的电途 是遵照 IEC60905 外率打算。 另外与市道上有很众与 IC1 一概级的驾驭 IC, 比方 Power Integration 公司的 TOP224Y 便是模范代外,若运用 TOP224Y 的线W 的 fly back converter。 ※输出 5V 1.5A 的 Step Down Converter (特质:欺骗免费 web tool 轻松打算周边组件) 图 19 是欺骗 monolithic switching regulator IC LM2576T-5.0,创制可输出 5V 1.5A 的 Step Down Converter, 该 Converter 非凡合用于欺骗 24V 电源驱动 5V CPU 主板等范围。 相合 L1、C2 的最恰巧以及 D1 的峰值电流,倡导读者欺骗 National Semiconductor 公 司的网页,下载「WEBENCH design program」的免费 tool 就能够轻松谋划。该网页除了 组件天命以外同时还会指点相合 IC 与二极管的详细名称,以及温度与举措的仿真剖判与 pattern 的打算。 务必谨慎的是 L1 若不采用特洛伊酒桶型 core 无间隙 type, 或是形似 pot core 兼具磁气 shield 性能的组件时,健壮的磁气噪讯(noise)也许会随处扩散;另外图中的 C2 要紧工 作是频仍的充放电,于是必 须运用低 ESR、抗 ripple 的电容。 ※输入 World Wide,输出 100W 的校正型电途 (特质:AC 输入电流的高频波电流低于外率值) 图 20 是 World Wide 输入的校正型电途,该电途要紧性能是将 输出的绝缘型 Converter 整流电途,置换并适宜高频波外率值。本电途的打算规格如下: AC 输入:85 -264V DC 输出: 390V 300MA 本电途属于电流间断型,于是非凡适合运用于 200W 以下低输出电源等范围。因为电感 (inductance)LB 的电流间断滚动,于是转流二极管的逆答复牺牲的影响很小,其结果连 带酿成 switching 牺牲与辐射噪讯也跟着低落。另外最大电流是输入电流峰值的二倍以上, 因此成为采用 LB 与 Power MOSFET TR1 时的要紧切磋身分。 LB 正在 B-H curve 呈宏壮的 minor loop,于是必定运用低铁损的 ferrite core,另外 core 央浼很大间隙(gap),从该部位散逸的磁束动乱,会酿成卷线涡卷电流牺牲变大,因此必 需运用编织线(litz wire)加以间隔。 本电途的动动作电流形式(mode),因此内修有过电流维持单位,题目是过电压维持, 特别是与第一 pin 相接的输出电压分压电阻,一朝 open 或是短途的话,输出会立时形成高 电压,而电容则遭到妨害,于是过电压维持单位运用 TA76431S IC。固然一概级的 FA5500/FA5501(富士电机)具备完备的过电压维持对策,可是因为检测 level 太高,反而 酿成必定运用耐压越过 450V 的平整电容的后果。 究竟上并无与上涨 IC1 性能十足的一概级产物, 而性能性的代庖品同时也是业界模范品, 永别有 MC33261、FAN7527B、L6561、NJM2375 等等可供采用。 ※锂离子二次电池的充电电途 (特质:以 USB 界面为电源) 要是 USB 接口具备 5V 500MA 的话, 就能算作便当的电源运用, 反之若越过 500mA 时, USB 内部的 breaker 就会起首举措。 图 21 是欺骗 TI 的 bq24010 IC, 串联组成锂离子二次电池的充电电途, 该电途是以 USB 接口算作电源,于是编制一朝起动后电池的电压若低于 4V 时,就会起首主动充电。最大充 电电流 I 能够欺骗 REST 设定,为适宜 USB 的规格,于是 RSET 被设定成 1.68K , I 则被设定成 498MA。 最大充电保存温度与最低充电保存温度,则永别欺骗电阻 RT1 与 RT2 设定成 60 度与 0 度 。图 22 是上述充电电途与 USB 接口相接时,锂离子二次电池实质充电的特点。 ※两镍氢电池串联的充电电途 (特质:以 USB 界面为电源) 图 23 是以 USB 为电源的两 cell 镍氢电池串联的充电电途, 充电时电压若低于 2.5V 时, 会被视为满溢充电进而住手充电。 Timer 会以最大充电时分 160 分举措, 当电池达 60 度 时 就会住手充电。 疾捷充电解散后会以 C/32 举行 160 分的填补电,接着再以 C/64 无刻期接续举行 pulse trickle 充电。 充电器欺骗-△V 或是△T/△t 检测出满溢充电时,每单元电池 cell 的充电电压会形成 1.6V 操纵,因为主电源为 5V 于是本电途若三电池 cell 串联充电的话,就会显得相当劳累。 图 24 是本电途的实测充电特点, 由图可知两 cell 镍氢电池串联时的最大充电电压会上升 至 3V,因为单 cell 电池为 1.5V 因此三 cell 电池串联时的最大充电电高达 4.5V。必 须谨慎 的是编制内若设有上述电途的话, 会因编制的驱动电流与布线阻抗发作噪讯, 进而酿成失误 检测成满充电信号,为防备这类情景爆发,于是必定将 signal ground(S.GND)与 power ground(G.GND)分散布线。 ※小容量简便绝缘电源电途 (特质:欺骗 Timer IC 555 驱动绝缘变压器) 图 25 是可运用于感测(sensor)的小容量绝缘电源电途。驱动 TR1 的 ON/OFF 时分可 用 R1 R2 电阻调理,当 R1=R2 时,外面上 IC 会输出 50%的 duty cycle 矩形波,然而实 际上有 TR1 OFF 时的延迟,于是必定作微调。 若从脉冲变压器的 ET 积求取 TR1 的最大 ON 时分,就能够定夺 switching 频率与需要 的 ON/OFF 时分。ON 的时分是由 C1 与 C3 定夺。输出电压「H」时的充电时分 t1(s), 与「L」 时的放电时分 t2(s)可欺骗下式求得: ※Flash Memory 写入用电源 (特质:OFF 时电源 line 被 ground short) 图 26 是能够输出 Flash Memory 改写实质时,需要的 12V 直流电压的电源电途。 写入驾驭信号为「H」时,输出 VOUT 形成 0V ,写入驾驭信号为「L」时,输出 VOUT 变 成 11.8V , 未写入时刻为升高噪讯耐性, 因此将电源线与 ground 短途 (short) , VOUT 的 起落则是欺骗驾驭输入端子驾驭。 要是驾驭输入端子形成 5V 的话, 线性 regulator M5237L 的电压监控 (monitor) 输入 (第 三 pin)电压会越过 1.5V 以上,M5237L 为阻挠电流的吸入会将 TR1 合上(OFF),TR2 呈 ON 状使 VOUT 与 ground 短途。 要是驾驭输入端子为 0V 时,上述第三 pin 的电位会形成 1.26V 并将电流吸入,当 TR1 开启(ON),TR2 合上(OFF)时, 就形成 12V 。

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