特种单片开关电源模块的电路设计

1、特种单片开关电源模块的电路设计       摘要：与传统的开关电源相比，特种集成开关电源具有电路新颖、功能奇特、性能先进、应用领域较为广泛等特点。详细介绍了两种新型特种单片开关电源模块的电路设计，一种是2.5W恒压恒流式充电器模块，另一种是带以太网接口的15WDCDC电源变换器模块。     关键词：单片开关电源；模块；恒压恒流；以太网电源；同步整流引言特种集成开关电源主要包括以下5种类型1：1）复合型开关电源；2）恒压恒流（CVCC）型开关电源；3）截流输出型开关电源；4）恒功率输出型开关电源；5）其他

2、专用开关电源，例如高速调制解调器（HighSpeedModem）电源、DVD电源等。图1    特种单片开关电源有两种设计方案：第一种是采用通用单片开关电源集成电路（例如TOPSwitch、TOPSwitchFX、TOPSwitchGX等系列），再配上电压控制环、电流控制环等外围电路设计而成的，其特点是输出功率较大，但外围电路复杂；第二种是采用最近问世的LinkSwitch系列高效率恒压恒流式三端单片开关电源芯片，或选用LinkSwitchTN系列、DPASwitch系列单片开关电源专用IC2，这样可大大简化电路，降低成本，适合构成中、小功率的特种开关电源。1 2

3、.5W恒压恒流式充电器模块下面介绍一种由LNK500构成的2.5W恒压恒流式充电器模块。它适用于手机电池充电器、个人数字助理（PDA，即Personal Digital Assistant）、便携式音频设备、电动剃须刀、家用电器的内置电源（如彩电的备用电源、偏置电源）等领域。1.1 性能特点和技术指标1）采用高效率恒压恒流式单片开关电源LNK500，交流输入电压范围是85265V，当交流输入电压为265V时，漏电流<5A，额定输出电压为5.5V，最大输出电流为0.45A，输出功率为2.5W。2）低功耗，高效率，空载功耗<0.3W，电源效率的典型值68。3）在峰值功率点，允许输出电压

4、有±10的误差，当初级电感量Lp的误差为±10时，输出电流有±25的误差。4）电路简单，价格低廉，该电源仅需23个元器件，不需要次级反馈电路，用初级电路即可实现恒流恒压输出，允许采用低价格、小尺寸的EE13型磁芯。5）具有过热保护、输出短路保护及开环保护功能。6）符合电磁兼容性国际标准CISPR22BEN55022B。    1.2 2.5W恒压恒流式充电器模块的电路设计由LNK500构成2.5W恒压恒流式充电器模块的内部电路如图1所示。FR为可自恢复熔断电阻器，它具有限流保护作用并能限制上电时的冲击电流。由VD1VD4构成桥式整流，

5、由电感L1、L2和电容C1、C2组成低功耗型滤波器，能滤除电磁干扰。L2可采用3.3H的磁珠。在LNK500内部功率MOSFET导通时，输出整流管VD6截止，此时电能就储存在高频变压器中。当功率MOSFET关断时，VD6导通，储存在高频变压器中的能量就通过次级电路输出。VD6采用1A100V的肖特基二极管SB1100，R4和C7并联在VD6两端，能防止VD6在高频开关状态下产生自激振荡。C6为输出端滤波电容。R5为22k的负载电阻。由R1、C3和VD5构成的RCD型箝位电路具有以下功能：1）当功率MOSFET关断时，对初级感应电压进行箝位；2）能简化反馈电路的设计。控制端的反馈电流由电阻R2来

6、设定。刚启动电源时由控制端电容C4给LNK500供电，C4还决定了自动重启动频率。为了降低电磁干扰，高频变压器的初级设计了两个绕组，分别为NP1及NP2。NP2被称为"抵消绕组"（cancellation winding），它经过R3及C5接初级返回端，能降低初级电路中的电磁干扰。此外，在初、次级之间还需增加屏蔽层。LNK500只适合在不连续模式下工作，其输出功率由式（1）确定。式中：PO为输出功率；为电源效率；LP为高频变压器的初级电感；IP为LNK500的峰值电流；f为开关频率。不难看出，PO与LP成正比，IP2f的大小则受LNK500控制。图3  

7、  高频变压器采用EE13型磁芯，配8引脚的骨架。初级绕组NP1用0.13mm漆包线绕90匝，NP2用0.16mm漆包线绕22匝，次级绕组用两股0.25mm的三重绝缘线绕5匝。在初、次级绕组之间用3股0.25mm漆包线绕5匝，作为屏蔽层。初级电感量LP=2.3mH（允许有±10的误差）。高频变压器的谐振频率不低于300kHz。2.5W恒压恒流式充电器的输出特性如图2所示。2 带以太网接口的15WDCDC电源变换器模块2.1 以太网电源的性能特点以太网（EthernetNetwork）是目前最常用的一种局域网。以太网电源简称POE（Power Over Ethernet），它

8、仅通过一根以太网电缆即可同时为用户提供数据和供电电源，不需要再另外布线。以太网电源中的电源装置简称为PD，它具有以下特点：-能提供PD检测与分类信号；-能提供到DCDC电源变换器的软启动接口；-具有过电流保护、过电压保护、过热保护等功能。根据POE规范，PD应具有以下3个基本功能。2）类型 PD有不同的类型，每种类型对应于一定的电流。例如，"0"类PD的电流为0.54mA。当PD检测有效信号之后，就对PD进行分类。具体方法是将送到网络链路上的电压升高到15.520.5V，使PD获得一个固定的电流，再根据电流范围完成PD分类。3）开关连接 连接以太网电源的开关主要有两种，一种

9、是双极型晶体管开关，其电源效率较高，成本较低；另一种为MOSFET开关，其电源效率极高（可接近于100）。下面介绍一种带以太网接口电路的同步整流式15WDCDC电源变换器模块，可广泛用于网络及通信设备中。2.2 15W以太网电源模块的电路设计由双极型开关管和DPA424P构成15WPOE模块的内部电路如图3所示。该电源由两部分组成，即以太网接口电路（电路中用虚线框表示）和DCDC电源变换器。模块中包含POE识别信号阻抗（24.9k，直流2.510V）、"0类"类型电路（0.54mA，直流1520V）。采用双极型晶体管开关或MOSFET开关时，POE接口的效率分别为87或97

10、。该以太网电源接口电路的工作过程可分为三个阶段：在第一阶段，当输入电压加到PD时，它必须在直流2.510V的电压范围内呈现正确的识别信号阻抗，电阻R13（24.9k）可提供这个阻抗；在第二阶段，当直流输入电压为1520V时，PD用一个规定的电流来识别装置类型，例如"0类"电流范围是0.5mA4mA，这也由R13来完成；在第三阶段，通过双极型开关管（VT）将输入电压接到DCDC电源变换器上，该电源变换器允许输入超过30V（28VUR14）的直流电压。此时稳压管VDZ1被反向击穿，通过R14给VT提供基极电流。R15的作用是防止在其他条件下开启电源。一旦开启电源，辅助绕组输出的

11、高频电压信号就经过耦合电容C3、整流管VD2和限流电阻R16来提高VT的直流偏压，使基极电流增大。在负半周时VD1导通，可确保加到基极上的偏压总为正压。如图4所示为使用MOSFET（V3）的开关电路。VDZ4及VDZ5分别采用28V及15V稳压管。当输入电压超过28V时VDZ4被反向击穿，使V3导通，将电源开启。当输入电压超过43V时VDZ5也被反向击穿，能限制V3的栅源电压，起到保护作用。R15能防止V3被误导通。该以太网电源模块的识别信号阻抗与输入电压的关系曲线如图5所示，识别电压范围是2.510V。DCDC电源变换器的主要性能指标如下：1）采用DPA424P型单片开关式稳压器，构成正激、

12、隔离式、3路输出的DCDC电源变换器模块。直流输入电压范围是3675V，3路输出分别为5V2.4A、7.5V0.4A和20V10mA，总输出功率为15.2W，开关频率为400kHz；2）多路输出，稳压性能好，在最坏的情况下，各路输出的负载调整率指标见表1，表1 各路输出的负载调整率指标3路输出电压UO/V57.520负载变化范围/201000100100负载调整率SI/±148363）采用电容耦合式同步整流技术，DCDC电源变换器的效率高达88；4）能精确设定输入线路的欠电压、过电压值；5）具有输出过载保护、开环保护和过热保护功能。图3中，输入端EMI滤波器由C1，L1和C2构成。R

13、1为欠电压值过电压值设定电阻，所设定的UUV=33.3V，UOV=86.0V。R1还能自动减小最大占空比，防止磁饱和。R2为极限电流设定电阻，取R2=13.3k时，所设定的漏极极限电流ILIMIT=0.57ILIMIT=0.57×2.50A=1.425A。稳压管VDZ2可将漏极电压箝位在安全范围以内。V1的等效栅极电容能给高频变压器提供最佳复位。该电源模块的电源效率与输入电压的关系曲线如图6所示。    1）采用双极型功率开关管（VT）（1）选择双极型开关管VT，要能承受较高的电压并提供足够的电流，其电流放大系数要足够高。（2）选择R14以提供足够大的基

14、极电流，确保能够开启DCDC电源变换器。（3）选择R16（典型值为1020）以限制在开关过程中产生的尖峰电流。（4）推荐采用Fairchild公司生产的TIP29C型双极型中功率开关管，其主要参数如下：集电极-发射极击穿电压UU（BR）CEO=100V，基极最大允许电流IBM=0.4A，最大集电极电流ICM=1A，集电极最大功耗PCM=30W，hFE=75倍，fT=3.0MHz。2）采用功率MOSFET（V3）（1）选择R14以限制稳压管VDZ4和VDZ5的功耗。（2）选择R15以确保在输入电压低于28V时能关闭V3。（3）选择VDZ4的稳压值以防止在输入电压低于28V时开启V3。（4）注意，R14及R15的电阻值还影响到VDZ4的损耗。（5）选择VDZ5的稳压值以限制V3的最大栅源电压（典型值应为15V）。（6）推荐采用Philips公司生产的IRF530N型N沟道功率MOSFET。其主要参数如下：漏源极击穿电压U（BR）D