电源电路设计分析实例(经典分析)

2020-08-25 04:08字体:
  

  电源电途打算说明实例(经典说明)_电子/电途_工程科技_专业原料。电源电途打算说明实例(经典说明)

  电源电途打算说明实例(经典说明) 众所皆知,电源电途打算,乃是正在集体电途打算中最根本的必备岁月,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琢磨。 电源 device 电途 ※输出电压可变的基准电源电途 (特质:应用专用 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,本电途可能运用外置电阻 Vr1 与 R3 的设定,使输出电压正在+2.5V-5V 周围内变革,输出电压 Vout 可运用下式求得: ----------------------(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) 雷同 REF-02C 属于高精度、输出电压不成变的基准电源 IC,于是打算上一定追加图 2 的 OP 增幅 IC,运用该 IC 的 gain 使输出电压造成可变,它的电压变革周围为+5-+10V。 ※运用单电源制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,平淡是由电池组成单电源电途,但是某些情形请求电源电 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宁静化正、负电源,凡是这类型的电源电途是以 正电压看成基准再发作负电压,于是负电压的站立较怠缓,但是图 3 的电源电途正、负电 压却可能同时站立,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:可能输出三端子 Regulator IC 无法供应的高电压) 固然三端子 Regulator IC 的输出电压大约是 24V,但是若横跨该电压时电途打算上一定 与 IC 以 disk lead 等组件整合。 图 5 的 Serial Regulator 最大可能输出+40V 的电压, 图中 D2 Zener 二极管的输出电压 被设定成一半控制,再用 R7 VR1 R8 将输出电压分压,使该电压能与 VZ2 的电压类似藉 此智力断定定命。一定留神的是 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,会有发烧消耗电力之虞,于是凡是以 R7 R8 2-5K 比力合意。 ※输出电压为 40-80 的 Serial Regulator (特质:运用 disk lead 组件输出高电压) 图 6 是可能输出电压为 40-80 的 Serial Regulator,因为本电途的输出电压额外高,因 此无法应用 OP 增幅 IC。图中的 VCEO 是运用 120V 的 2SC2240-GR 组成差错增幅器。 另外本电途还追加 TR5 与 Cascode 增幅器,藉此改正差错增幅器的频率性子。 2SK373-Y 是 VDS=100V 的 FET,它可能组成高耐压的定电流电源。除了 FET 除外 还可能应用最大应用电压为 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:设有输出短途偏护电途) 如图 7 所示本 Serial Regulator 的 base 的共通增幅电途与 OP 增幅器输出端相联,于是 可能输出高电压。若是输生产生短途的线 的偏护电途就会手脚,TR3 将流入 120MA 控制正在 周围内,此时输入电压会施加至 TR2 的 drain 与 source 之间,于是会有 20W 左 右的牺牲。 ※输出电压为 400V 的高电压 Serial Regulator (特质:设有输出短途偏护电途) 如图 8 所示差错增幅器的基准电位与输出电位相联,酿成浮动增幅型 Serial Regulator。 固然电源变压器(transistor)一定应用差错增幅器专用的绕线,但是差错增幅器是由 OP 增幅器组成,于是额外实用于高电压 Regulator。另外为避免输出短途时的大电力牺牲,因 此偏护电途具备倒 V 型性子。 ※TO-220 封装的非绝缘型 Step Down Converter (特质:无封装面积变大之虞,可将线性电源造成 switching 电源) 三端子 Regulator 的牺牲若横跨 3W 时,冷却片的面积会变得额外大,于是一定改用非 线性况且效能极高较不易发烧的 switching type DC-DC Converter, 但是现实上因为 DC-DC Converter 应用的组件数目额外众,于是有可以形成封装面积过大等题目。 如图 9 所示若应用与三端子 Regulator 同级的 T0-220 封装把持 IC,就能取得输入电压 为 8-24V ,输出 5V,电流为 3.5A 的 Step Down Converter。这种 Converter 最大特质是 机闭大略手脚宁静,况且应用组件的数目额外少,于是不需认真改观印刷电途板的 pattern, 或是费心封装面积变大等困扰,固然代价稍为偏高但是 Serial Regulator 简直收集全面的规 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 容比力出格一定应用 switching 电源专用低阻抗(impedance)type。 PQ1CG 系列的产物简直函盖拥全面电压、电流规格,从 2.5V 低输出电压到 5A 以下机 型一应具全况且都仍然商品化。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,于是应用上 额外便利。 :VODJ 输出电压调解端子;feedback: 输出归返(return)端子 VC; :位相积累用端 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 把持 IC 的规格 ※寻址 Step Down Converter (特质:IC 容易博得代价低廉) 图 10 应用史籍相当万世的 Step Down Converter 把持 IC,它的输入电压为 8-16V ,输 出电压为 5V 600MA。本 Converter 最大特色是代价低廉容易博得。图中的 MC34063(On Semiconductor Co)手脚频率被设为 45KHZ ,于是线圈与电容器的外形可以会变大,不 过只消印刷 pattern 打算得宜的话,上述题目对手脚上尚不致组成困扰。 必需留神的是雷同新日本无线A,固然是性子相通的 IC,但是 机闭上却不相通, 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,操作轻便的 DC-DC Converter) 图 11 是运用寻址把持 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 一定亲切 IC 的 lead 不然无法成功手脚。本 IC 的手脚频率为 160-170KHZ 控制,于是周边的被动组件可能应用 lead type。 电容的等价串联阻抗一定应用低于 0.5 欧 的 type; 线圈的 inductance 为 100UH 或是 33UH。 ※效能 95%的超小型 Step Down Converter (特质:由 5*5MM 的把持 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, 它可能运用 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:实用于电池 device 等模仿电途电源) 电池 device 的单电源,时时被请求一定可以供应 OP 增幅器的数个模仿电途正、电源, 因为电流值相当低于是应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 的把持 IC,它只消四个外置电容就可能 1.5-6V 输入电源,制制两倍的正负电压,因为本电 途未应用线圈,于是峰值电位(spike)的噪讯(noise)额外低。 charge pump 的电容 C1 C2 一定应用低等价串联阻抗, 耐压横跨 16V 以上的电容组件, 由于加大容量时可能下降震动(ripple)电压抬高效能。遵照规格书(datasheet)的纪录 MAX865 内部的输出阻抗,分裂是正电压端为 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,请求无电压更正的电途可能采用 MAX865 并联相联,或是改用 MAX743 type。 另外 V- 电途的负载电流较大时,基于偏护电途等思考,可能将 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) 小型量测摆设时时会有负电源需求,若是不需大电流容量时,可能应用 charge pump 的 极性反转 Converter。 图 14 的 DC-DC Converter 可能使 5V 的极性反转,同时输入 –5V 50MA 的电力,图中的 MAX860 是 8 pin 外面封装 type 把持 IC;外 2 是外面封装 type 把持 IC 的规格一览。上述 Converter 的手脚频率可设定成 6K 50K 130K 三种方式,无小型化要 求时可将 VC 端子与输出端相联设定成 130K ,同时应用低容量的小型电容。图 14 的设 定值为 50KHZ ,输入电压周围为 1.5-5V ,输出阻抗为 12,最大负载电流为 50。若是 希冀运用负载下降电压时,可将 MAX860 并联相联 。 外 2 极性反转型 Step Down Converter 把持 IC 的规格 ※可使电池电压上升的 Step Up Converter (特质:电池能量 100%阐扬) 应用二次电池驱动的可携式电子产物, 请求假使电池电压低浸亦能长时代手脚, 于是显示可 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 品种额外众,因为这类 IC 大家具有 shut down 端子(pin),于是可用 logic level 把持输出的 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。请求大电流的场所(case)发起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 把持 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 未应用变压器就可能取得低电压,于是应用上额外便利。打算规格如下所示: DC 输入:100-400V 。 DC 输出:15V 200MA 。 因为把持端子的电压高达 5.7V ,于是输出电压无法低于 5.7V ,输出电压 VOUT 可能 从 ZenerVZ V 二极管的电压 求得: VOUT=VZ+5.7 图中的 MIP0222SY 与 power MOSFET 同样是三端子把持 IC,内修有 switching 电源必 需具备的全面性能,于是只需运用该 IC 就可能用轻便的电途,酿成高电压用 Step Down Converter, 值得一提的是与 一致级的产物有 Power Integration 公司开拓的 TOP222Y; 以 外的一致级组件基础上可能从其它公司的产物型录中寻得。 为了箝制线 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 ,于是一定选用耐压横跨 400V 的组件,此处思考延迟(delaying)时代于是选用 耐压 600V 的 type,要是要箝制 switching 牺牲的话,就一定应用高速、高效能、低牺牲的 的二极管。 如上所述因为输入电压额外高,于是震动电流也很高,此处为下降输出震动电压,于是 输出电容一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,电源陆续供应电力至内存) 若是 PC 应用轻便编制的话,一朝电源 OFF 时的内存电力也会一并被割断,形成积蓄于 内存(Memory)内部的数据面对全毁的倒霉。 图 17 是电源 OFF 时照旧可能保护 SRAM 电力的电途, 当电源 ON 时镍氢二次电池举行 充电手脚,电源 OFF 时二次电池便主动开释电力。 因为 SRAM 手脚时的电源电压横跨 4.5V 以上无法将 TR1 改观成二极管,于是运用 VDROP 很小的 PNP 晶体管(transistor)组成 switch。当电源 OFF 时 SRAM 的 CE2 会 造成 L level 成为待机状况。 ※World Wide 输入,三频输出轻便型 Switching 电源 (特质:运用内修 Power MOSFET 的单芯片把持 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, 它实用于 10-45W 的 device。 本电源电途苛重规格如下: 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 把持 IC 内修有 switching 电源一定具备的全面性能, 另外本 IC 采用 与 Power MOSFET 相通的三端子 (pin) 封装, 手脚上则属于凡是电压形式 (mode) fly back converter,于是内修于输出段的 Power MOSFET drain 耐压高达 700V。 应用 MIP0224SY 时只需留神耐压题目,就可能简单取得制制上额外繁琐的绝缘型 Switching 电途。变压器的打算是最棘手的一环,发起读者运用 Power Integration 公司的网 页,下载打算用 Excel sheet 就可能简单打算变压器。 一定留神的是绝缘隔绝,加倍是实用的安好模范会跟着用处有很大的区别,图 18 的电途 是遵照 IEC60905 模范打算。 另外与市情上有很众与 IC1 一致级的把持 IC, 比方 Power Integration 公司的 TOP224Y 便是模范代外,若应用 TOP224Y 的线W 的 fly back converter。 ※输出 5V 1.5A 的 Step Down Converter (特质:运用免费 web tool 轻松打算周边组件) 图 19 是运用 monolithic switching regulator IC LM2576T-5.0,制制可输出 5V 1.5A 的 Step Down Converter, 该 Converter 额外实用于运用 24V 电源驱动 5V CPU 主板等界限。 相闭 L1、C2 的最恰好以及 D1 的峰值电流,发起读者运用 National Semiconductor 公 司的网页,下载「WEBENCH design program」的免费 tool 就可能简单筹划。该网页除了 组件定命除外同时还会指示相闭 IC 与二极管的完全名称,以及温度与手脚的仿真说明与 pattern 的打算。 必需留神的是 L1 若不选取特洛伊酒桶型 core 无间隙 type, 或是雷同 pot core 兼具磁气 shield 性能的组件时,庞大的磁气噪讯(noise)可以会随地扩散;另外图中的 C2 苛重工 作是频仍的充放电,于是必 须应用低 ESR、抗 ripple 的电容。 ※输入 World Wide,输出 100W 的厘革型电途 (特质:AC 输入电流的高频波电流低于模范值) 图 20 是 World Wide 输入的厘革型电途,该电途苛重性能是将 输出的绝缘型 Converter 整流电途,置换并切合高频波模范值。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,于是额外适合使用于 200W 以下低输出电源等界限。因为电感 (inductance)LB 的电流间断滚动,于是转流二极管的逆回答牺牲的影响很小,其结果连 带形成 switching 牺牲与辐射噪讯也跟着下降。另外最大电流是输入电流峰值的二倍以上, 于是成为选取 LB 与 Power MOSFET TR1 时的苛重思考身分。 LB 正在 B-H curve 呈强壮的 minor loop,于是一定应用低铁损的 ferrite core,另外 core 请求很大间隙(gap),从该部位发放的磁束动乱,会形成卷线涡卷电流牺牲变大,于是必 需应用编织线(litz wire)加以阻隔。 本电途的动行动电流形式(mode),于是内修有过电流偏护单位,题目是过电压偏护, 加倍是与第一 pin 相联的输出电压分压电阻,一朝 open 或是短途的话,输出会速即造成高 电压,而电容则遭到摧残,于是过电压偏护单位应用 TA76431S IC。固然一致级的 FA5500/FA5501(富士电机)具备无缺的过电压偏护对策,但是因为检测 level 太高,反而 形成一定应用耐压横跨 450V 的平整电容的后果。 到底上并无与上涨 IC1 性能统统的一致级产物, 而性能性的庖代品同时也是业界程序品, 分裂有 MC33261、FAN7527B、L6561、NJM2375 等等可供选取。 ※锂离子二次电池的充电电途 (特质:以 USB 界面为电源) 若是 USB 接口具备 5V 500MA 的话, 就能看成容易的电源应用, 反之若横跨 500mA 时, USB 内部的 breaker 就会首先手脚。 图 21 是运用 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 接口看成电源,于是编制一朝起动后电池的电压若低于 4V 时,就会首先主动充电。最大充 电电流 I 可能运用 REST 设定,为切合 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,则分裂运用电阻 RT1 与 RT2 设定成 60 度与 0 度 。图 22 是上述充电电途与 USB 接口相联时,锂离子二次电池现实充电的性子。 ※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终了充电。 Timer 会以最大充电时代 160 分手脚, 当电池达 60 度 时 就会终了充电。 迅速充电结尾后会以 C/32 举行 160 分的添补电,接着再以 C/64 无刻日陆续举行 pulse trickle 充电。 充电器运用-△V 或是△T/△t 检测出满溢充电时,每单元电池 cell 的充电电压会造成 1.6V 控制,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性子, 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 于是三 cell 电池串联时的最大充电电高达 4.5V。必 须留神 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, 进而形成谬误 检测成满充电信号,为防范这类形象产生,于是一定将 signal ground(S.GND)与 power ground(G.GND)隔离布线。 ※小容量轻便绝缘电源电途 (特质:运用 Timer IC 555 驱动绝缘变压器) 图 25 是可使用于感测(sensor)的小容量绝缘电源电途。驱动 TR1 的 ON/OFF 时代可 用 R1 R2 电阻调解,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,于是一定作微调。 若从脉冲变压器的 ET 积求取 TR1 的最大 ON 时代,就可能断定 switching 频率与须要 的 ON/OFF 时代。ON 的时代是由 C1 与 C3 断定。输出电压「H」时的充电时代 t1(s), 与「L」 时的放电时代 t2(s)可运用下式求得: ※Flash Memory 写入用电源 (特质:OFF 时电源 line 被 ground short) 图 26 是可能输出 Flash Memory 改写实质时,须要的 12V 直流电压的电源电途。 写入把持信号为「H」时,输出 VOUT 造成 0V ,写入把持信号为「L」时,输出 VOUT 变 成 11.8V , 未写入光阴为抬高噪讯耐性, 于是将电源线与 ground 短途 (short) , VOUT 的 起落则是运用把持输入端子把持。 若是把持输入端子造成 5V 的话, 线性 regulator M5237L 的电压监控 (monitor) 输入 (第 三 pin)电压会横跨 1.5V 以上,M5237L 为劝止电流的吸入会将 TR1 合上(OFF),TR2 呈 ON 状使 VOUT 与 ground 短途。 若是把持输入端子为 0V 时,上述第三 pin 的电位会造成 1.26V 并将电流吸入,当 TR1 开启(ON),TR2 合上(OFF)时, 就造成 12V 。

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