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從USB獲得高效的雙軌電源

2013年09月01日  | RO Ocaya,

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當在設計一款需要電源電壓(power-supply voltage)而非5V的小功率USB電路時, 工程師必須決定是要使用獨立的電池,還是使用來自主機的小型電源。如果電路需要大於5V的雙軌電源(如採用了基於運算放大器的儀錶放大器),或必須用於可攜式電腦如筆記型電腦上,則問題就棘手了。

USB 2標準規定了對連接設備的功率要求,即耗電最大為100 mA,則視為小功率;耗電最大為500 mA,則視為大功率。本文所描述的電路原用於一個熱發光(thermoluminescence,TL)儀器設計,設計中的微控制器、USB介面控制器,以及10個運算放大器均被當作是小功率設備,皆從一個USB埠獲得全部電源。

該設備的運行需要有高性能,低雜訊拾取,並且讓系統射頻輻射要盡可能低。在電路建立之前,做過模擬與驗證,然後應用到TL系統。由於本設計採用的是常見的元器件,提高了可重複性,同時還壓低了成本,因此非常具有吸引力。



圖1 這是個基礎的返馳轉換器,當開關打開時,磁性器件中儲存的電荷傳輸給濾波器電容C。

電路運行的原理是建立在返馳(flyback)的概念上(圖1),運行期間,一個小型變壓器受一脈衝調變555非穩態(astable)電路的驅動,工作頻率在115至300 kHz。高工作頻率可以使電路的整體尺寸較小,同時提供相對較高的功率輸出以及良好的調節性,使輸出濾波更容易做到低漣波(ripple)。

在實際的電路中是用一顆金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)來實現開關。圖1中,二極體對正的VOUT呈現為順向偏壓(forward biased)。將二極體和一個變壓器繞組極性反向,就獲得一個負的VOUT。該電路在三個不同的相位工作。在相位1,開關閉合,因電流流過變壓器初級,能量以磁場形式儲存起來。二極體被反向偏壓,次級沒有電流流過。

在相位2,開關打開,二極體變成順向偏壓,能量從磁場傳送給電容C。在相位3,能量的轉儲完成,在開關漏源電容中儲存的任何剩餘電荷都被完全釋放。然後重複此一週期。

為了把電路的工作原理解釋得更清楚,比較簡單的辦法是假定恰在時間t=0以前,濾波器電容已經充電到標稱輸出電壓,而通過變壓器初級線圈的電流為零。在t=0 時,開關閉合,電流開始流經初級線圈。這樣就會在次級線圈上產生一個電壓,極性如圖所示。由於二極體被反向偏壓,因此沒有次級電流流過,次級線圈相當於開路。變壓器初級端的作用就好比一個簡易的電感器。初級電流呈線性增加,公式如下:

式 1


在開關閉合期間,次級線圈上的感應電壓為nVCC。因此,二極體必須承受的最小反向電壓為(nVCC+VOUT)。過了既定時間後,開關打開。在實際電路中,這相當於MOSFET被關閉。假設初級線圈中的電流在該時刻為IPK,則電感器中儲存的磁場能量就等於

式 2


由於初級線圈與次級線圈之間的磁通量,當初級電路開路時,電感器中儲存的但正在崩潰的磁場在次級端中感應出了夠高的電壓(>VOUT),將二極體順向偏壓。電流的初始值為I2=IPK/n。

在二極體順向偏壓期間,次級線圈上的電壓將為(VOUT+0.7)。這也可以看作初級端電壓向下變換為VOUT/n。因此,當開關打開時,它必須承受的實際電壓是

式 3


這個公式強調了返馳轉換器相對於有相當輸入輸出電壓的升壓轉換器的優勢,即當開關打開時,它必須處理的減少電壓。事實上,“關斷”週期的電壓降低到一個值,該值由變壓器線圈匝數比確定。這樣就可以使用較低擊穿電壓的MOSFET。另外,在升壓轉換器拓撲中,二極體必須同時承受“開啟”時的高電流,以及“關斷”時的高反向電壓。而在返馳轉換器中,次級端的二極體在電流較低時(IPK/n),需要承受高電壓。這樣就允許使用較小電容的二極體,從而獲得較快的開關速度,因而減少了能耗,提高了效率。

雖然這超出了我們的電流範圍, 工程師仍可以計算輸出電壓,方法是讓L1中的能量輸入量等於傳送給負載RLOAD的能量。穩態時,輸出與開關的占空比D以及開關工作的頻率有關,即,開路輸出電壓公式為:

式 4


(未完,請參閱下頁更多內文及附圖)


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