一種具有反接保護(hù)的外部使能電源設(shè)計(jì)

中國兵器工業(yè)第二一四研究所 高 慧 李 坤 傅旭東 賈丹丹

電源電路為提高可靠性、達(dá)到保護(hù)電路的作用，靈活控制電源的開啟和關(guān)閉目的，通過介紹降壓電源電路工作原理，提出一種反接保護(hù)、外部使能等功能的具體電路設(shè)計(jì)。通過電路原理分析，設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)電源基本輸出電壓功能外還能夠保護(hù)電路，提高可靠性，且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制電源的開啟和關(guān)閉。

電源電路除了基本的輸出性能滿足技術(shù)要求之外，可靠性、可控性的設(shè)計(jì)應(yīng)用有待進(jìn)一步提高。通過系統(tǒng)性地描述降壓電源電路的工作原理，對各個(gè)基本功能的實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)具體說明，包括防反接電路、外部使能電路等。根據(jù)實(shí)際電路應(yīng)用結(jié)果，設(shè)計(jì)的電路能有效提高可靠性，保護(hù)電路，同時(shí)可通過外部電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

1 降壓電源電路工作原理

降壓電源電路由輸入正極V-in、負(fù)極GND，輸出正極Vout、負(fù)極GND，使能端EN，降壓電源轉(zhuǎn)換器N1及轉(zhuǎn)換器周邊電路組成，具體原理圖見圖1所示。

圖1 降壓電壓工作原理圖

當(dāng)N1電源轉(zhuǎn)換器內(nèi)的開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入的整流電壓經(jīng)過開關(guān)管和電感向輸出電容充電，這一電流使電感中的儲(chǔ)能增加。當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，電感感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓，經(jīng)負(fù)載釋放電感中存儲(chǔ)的能量，維持輸出直流電壓的不變。

2 降壓電源電路設(shè)計(jì)

利用直流降壓轉(zhuǎn)換器N1內(nèi)部集成的功能，在其外圍添加能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能的電路，達(dá)到穩(wěn)定電壓、穩(wěn)定電流、防反接、外部使能等功能的實(shí)現(xiàn)。

2.1 輸入防反接保護(hù)功能

輸入正極電壓V-in經(jīng)過二極管D1，電容C2、C6到轉(zhuǎn)換器的Vin和Pvin端。

輸入防反接保護(hù)功能電路由D1二極管組成。利用二極管的單向?qū)щ娦裕?dāng)輸入電源正極V-in、負(fù)極GND正確接法時(shí)，電壓通過二極管輸入到轉(zhuǎn)換器N1的Vin和Pvin端；當(dāng)輸入電源正極V-in、負(fù)極GND接反后，因二極管反向截止，電流不能通過二極管，起到保護(hù)作用，不會(huì)損傷轉(zhuǎn)換器集成電路。

為最小化輸入電壓的紋波，且能確保電路正常工作，選用一個(gè)低阻抗的陶瓷電容C6，10uF與地連接；考慮若后續(xù)電路布局轉(zhuǎn)換器的Vin和Pvin端連線很長，影響電路高頻性能，選用一個(gè)低阻抗0.1uF的陶瓷電容C2與地連接。

轉(zhuǎn)換器的Pvin端是功率電源輸入端；Vin端是轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器的供電端，故兩個(gè)引腳端連接在一起。

2.2 電壓輸出功能

輸入電壓經(jīng)過降壓轉(zhuǎn)化器N1內(nèi)部電路的作用，從Pvout端輸出穩(wěn)定的電壓Vout。

2.2.1 功率電源功能

轉(zhuǎn)換器內(nèi)部Pvin端到Pvout功率電源的原理示意圖如圖2所示。

圖2 功率電源原理示意圖

功率電源電路內(nèi)部由4個(gè)N溝道MOS開關(guān)管和它們相關(guān)的門驅(qū)動(dòng)器，外部包括圖1中電容C7、C8、C12、C13、電感L1組成。一個(gè)內(nèi)部脈沖寬度調(diào)節(jié)器產(chǎn)生適當(dāng)?shù)恼伎毡葋砜刂崎T驅(qū)動(dòng)器的工作，進(jìn)而調(diào)節(jié)MOS管開關(guān)的導(dǎo)通和截止，以保持輸出電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。當(dāng)輸入高電壓降到輸出低電壓，轉(zhuǎn)換器工作在降壓模式，除了開關(guān)最低電平持續(xù)時(shí)間，MOS管D在整個(gè)周期內(nèi)保持導(dǎo)通狀態(tài)，電感L1右側(cè)的電壓可以輸出到Pvout端。在開關(guān)最低電平持續(xù)時(shí)間，MOS管C導(dǎo)通，迫使SW2保持低電平，并且給電容C8充電，確保MOS管D對應(yīng)的門驅(qū)動(dòng)器電源在BST2上保持不變。Pvout輸出低電平，由于輸出電容C12、C13容值較大共44uF，在短時(shí)間內(nèi)放電的電量較少，故Pvout端壓降基本保持不變。MOS管A和B的工作占空比由PMW調(diào)節(jié)，保持輸出電壓工作在降壓模式。

電感L1選用一個(gè)低阻抗，范圍在4.7uF與15uF之間，在降壓工作模式，大電感可以減少電感上電流紋波，所以本設(shè)計(jì)選用10uF的電感。輸出電容值選取方法與輸入容值一致，最小化輸出電壓紋波。C7、C8選用68nF的陶瓷電容。

2.2.2 采樣反饋穩(wěn)壓輸出

Pvout端輸出電壓通過電阻采樣，反饋電壓到轉(zhuǎn)換器N1內(nèi)部，通過內(nèi)部電路比較調(diào)節(jié)，最終輸出穩(wěn)定的電壓。采樣反饋電路示意圖如圖3所示。

圖3 采樣反饋原理示意圖

輸出電壓經(jīng)過采樣電阻R4、R5分壓，電阻R5上壓降通過FB端反饋到轉(zhuǎn)換器內(nèi)部。反饋電壓輸入到內(nèi)部高增益跨導(dǎo)誤差放大器，并且輸出壓降VC。VC連接到一個(gè)高增益、積分放大器的同相端，放大器負(fù)端通過設(shè)定的增益電阻Rcs1、內(nèi)部頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Rcs2、Ccs1、Ccs2連接到電感電流感應(yīng)電路。積分放大器的輸出提供周期占空比命令到PWM脈沖寬度調(diào)制電路。

如果Vout上功率轉(zhuǎn)換負(fù)載增大，Vout的瞬時(shí)電壓將會(huì)稍稍下降，F(xiàn)B上壓降下降，導(dǎo)致誤差放大器的輸出VC電壓升高。當(dāng)VC升高的一瞬，積分放大電路的輸出VIA也立刻升高，發(fā)出更大的周期占空比的命令。電感電流感應(yīng)電路交互檢測SWA、SWB的電流，通過一個(gè)電阻Rx產(chǎn)生壓降，即將電感電流波形轉(zhuǎn)換為電壓。占空比增大會(huì)導(dǎo)致一個(gè)較高電感電流值，最終Rx上的電壓升高。一旦Rx上電壓與VC值相等，VIA上電壓恢復(fù)接近它的先前值作用于脈沖寬度調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)電流占空比以保持電壓穩(wěn)定調(diào)節(jié)在一個(gè)新的更高電感電流水平上。通過轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電路一系列的調(diào)節(jié)，Pvout端的輸出電壓保持穩(wěn)定。

電壓誤差放大器的同相端預(yù)置1V，F(xiàn)B的標(biāo)稱電壓是1V，預(yù)實(shí)現(xiàn)12V的穩(wěn)壓輸出。即FB=R5/(R4+R5)=1V，取R4=2MΩ，則R5約為182KΩ。

2.2.3 突發(fā)模式工作

突發(fā)模式工作原理圖見圖4所示。

圖4 突發(fā)模式原理示意圖

當(dāng)MODE腳是低電平，轉(zhuǎn)換器工作在突發(fā)模式。在輕負(fù)載時(shí)，當(dāng)輸出電壓達(dá)到它的標(biāo)稱調(diào)節(jié)值，轉(zhuǎn)換器將進(jìn)入待機(jī)或休眠狀態(tài)。休眠狀態(tài)停用脈沖寬度調(diào)節(jié)器，并且關(guān)閉轉(zhuǎn)換器所有非必需的功能，大大地減少轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)電流，有效地改善總功率的轉(zhuǎn)換效率。

由于轉(zhuǎn)換器不在休眠狀態(tài)下工作，輸出電壓會(huì)以一定的速度慢慢衰減。當(dāng)輸出電壓已經(jīng)衰減1%，轉(zhuǎn)換器會(huì)被激活，重新繼續(xù)啟動(dòng)脈沖寬度調(diào)節(jié)器工作，直到Vout上的電壓恢復(fù)到先前水平。如果負(fù)載非常輕，轉(zhuǎn)換器要切換幾個(gè)周期來恢復(fù)Vout，并且可能長時(shí)間休眠，這顯著提高效率。圖1設(shè)計(jì)電路中，MODE腳連接到地，是低電平，轉(zhuǎn)換器工作在突發(fā)模式。

2.3 電流輸出功能

電路的功率電流輸出回路與功率電壓輸出電路一致，如上圖2所示，平均輸出電流電路原理圖如圖5所示。

圖5 平均輸出電流電路原理示意圖

平均輸出電流電路可以監(jiān)視或控制輸出電流。轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的一個(gè)電阻Rs，低直流偏置放大器直接檢測Vout線路上的電流，并分配產(chǎn)生一小部分電流Iout/25K到PROG端。PROG端與地之間的電阻R2、電容C5產(chǎn)生一個(gè)電壓與平均輸出電流成正比。如果PROG端電壓超過1V的參考水平，放大器輸出會(huì)拉低VC，并作用于脈沖寬度調(diào)節(jié)器，以調(diào)整占空比。平均電流輸出公式如下：Iout(AVG)≈25000*1V/Rprog。如果不考慮響應(yīng)速度，C5容值至少3倍于電壓誤差放大器補(bǔ)償電容C11。為達(dá)到滿量程電流，選取電阻R2的阻值為20KΩ，C5的容值為33nF，即Iout(AVG)≈1.25A。

2.4 外部控制使能功能

通過使能電壓的設(shè)定，可以靈活開啟和關(guān)閉轉(zhuǎn)換器，使能原理示意圖如圖6所示。

圖6 使能電路原理示意圖

轉(zhuǎn)換器RUN腳除了作為一個(gè)數(shù)字信號(hào)輸入使能某些功能，其內(nèi)部還包含一個(gè)精確比較器。當(dāng)RUN被驅(qū)動(dòng)高于它的數(shù)字閾值0.7V，LDO調(diào)節(jié)器被啟動(dòng)，給內(nèi)部控制電路提供電源。如果RUN電壓進(jìn)一步增加，它超過精準(zhǔn)閾值1.2V，轉(zhuǎn)換器所有的功能被啟動(dòng)。如果RUN上壓降低于精確比較器閾值1.2V，轉(zhuǎn)換器將禁止開關(guān)工作，但是LDO調(diào)節(jié)器和控制電路將保持動(dòng)力，除非RUN腳電壓低于0.7V。為了完全地關(guān)閉轉(zhuǎn)換器和減少輸入靜態(tài)電流，必需保證RUN低于0.3V。一旦轉(zhuǎn)換器被使能啟動(dòng)，RUN比較器包含一個(gè)內(nèi)置大約140mV的滯后，所以關(guān)閉閥門電壓會(huì)比開啟電壓低大約8.33%。在轉(zhuǎn)換器被使能后，RUN比較器內(nèi)部閾值電壓為1.1V。RUN比較器對噪聲不敏感，但在PCB布局時(shí)，附近有噪聲大的組件，噪聲影響是不可避免的，可能引起轉(zhuǎn)換器的間歇開啟和關(guān)閉。因此在RUN腳與地之間加電容C1、C3，保證電路正常工作，容值的選取分別為0.1uF、10uF兼顧濾除高頻信號(hào)和低頻信號(hào)。電阻R1作為限流電阻，阻值為2KΩ，防止因外部輸入電壓、電流過大而損傷電路。

通過前文對各功能電路的具體原理進(jìn)行說明，并分析各外部參數(shù)具體取值選取依據(jù)。降壓電源電路除了實(shí)現(xiàn)基本的輸出電壓、輸出電流功能，還設(shè)計(jì)了防反接電路和外部使能電路，提高電路的可靠性以及可控性，對電路穩(wěn)定、高效、自動(dòng)化工作提供良好的基礎(chǔ)。后期的實(shí)際電路應(yīng)用中，電路的上述功能全部實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)電路合理、可靠。