中心議題：

• 基于單片機的電源模塊設計

解決方案：

• 基于LNK500的2.5W恒壓／恒流式充電器模塊設計
• 帶以太網(wǎng)接口的15WDC／DC電源變換器模塊設計

0  引言
特種集成開關電源主要包括以下5種類型：
1）復合型開關電源,；
2）恒壓／恒流（CV／CC）型開關電源；
3）截流輸出型開關電源,；
4）恒功率輸出型開關電源,；
5）其他專用開關電源，例如高速調(diào)制解調(diào)器（HighSpeedModem）電源,、DVD電源等。

特種單片開關電源有兩種設計方案：第一種是采用通用單片開關電源集成電路（例如TOPSwitch－Ⅱ,、TOPSwitch－FX,、 TOPSwitch－GX等系列）,，再配上電壓控制環(huán)、電流控制環(huán)等外圍電路設計而成的,，其特點是輸出功率較大,，但外圍電路復雜,；第二種是采用最近問世的 LinkSwitch系列高效率恒壓／恒流式三端單片開關電源芯片,，或選用LinkSwitch－TN系列,、DPA－Switch系列單片開關電源專用 IC,，這樣可大大簡化電路，降低成本,，適合構(gòu)成中,、小功率的特種開關電源,。

1  2.5W恒壓／恒流式充電器模塊
下面介紹一種由LNK500構(gòu)成的2.5W恒壓／恒流式充電器模塊,。它適用于手機電池充電器,、個人數(shù)字助理（PDA,，即Personal Digital Assistant）,、便攜式音頻設備,、電動剃須刀、家用電器的內(nèi)置電源（如彩電的備用電源,、偏置電源）等領域。

1.1  性能特點和技術指標
1）采用高效率恒壓／恒流式單片開關電源LNK500，交流輸入電壓范圍是85～265V,，當交流輸入電壓為265V時,，漏電流<5μA,，額定輸出電壓為5.5V,，最大輸出電流為0.45A,，輸出功率為2.5W,。
2）低功耗,，高效率,，空載功耗<0.3W，電源效率的典型值η≈68％,。
3）在峰值功率點,，允許輸出電壓有±10％的誤差,，當初級電感量Lp的誤差為±10％時,，輸出電流有±25％的誤差。
4）電路簡單,，價格低廉,，該電源僅需23個元器件，不需要次級反饋電路,，用初級電路即可實現(xiàn)恒流／恒壓輸出,，允許采用低價格、小尺寸的EE13型磁芯,。
5）具有過熱保護,、輸出短路保護及開環(huán)保護功能。
6）符合電磁兼容性國際標準CISPR22B／EN55022B,。

1.2  2.5W恒壓／恒流式充電器模塊的電路設計
由LNK500構(gòu)成2.5W恒壓／恒流式充電器模塊的內(nèi)部電路如圖1所示,。FR為可自恢復熔斷電阻器，它具有限流保護作用并能限制上電時的沖擊電流,。由VD1～VD4構(gòu)成橋式整流,，由電感L1、L2和電容C1,、C2組成低功耗π型濾波器,，能濾除電磁干擾。L2可采用3.3μH的磁珠,。在LNK500內(nèi)部功率MOSFET導通時,，輸出整流管VD6截止，此時電能就儲存在高頻變壓器中,。當功率MOSFET關斷時,，VD6導通，儲存在高頻變壓器中的能量就通過次級電路輸出,。VD6采用1A／100V的肖特基二極管SB1100,，R4和C7并聯(lián)在VD6兩端，能防止VD6在高頻開關狀態(tài)下產(chǎn)生自激振蕩,。C6為輸出端濾波電容,。R5為22kΩ的負載電阻。

圖1    2.5W恒壓／恒流式充電器模塊的內(nèi)部電路

由R1,、C3和VD5構(gòu)成的RCD型箝位電路具有以下功能：
1）當功率MOSFET關斷時,，對初級感應電壓進行箝位；
2）能簡化反饋電路的設計,。

控制端的反饋電流由電阻R2來設定,。剛啟動電源時由控制端電容C4給LNK500供電,，C4還決定了自動重啟動頻率,。

為了降低電磁干擾,，高頻變壓器的初級設計了兩個繞組，分別為NP1及NP2,。NP2被稱為“抵消繞組”（cancellation winding）,，它經(jīng)過R3及C5接初級返回端，能降低初級電路中的電磁干擾,。此外,，在初、次級之間還需增加屏蔽層,。

LNK500只適合在不連續(xù)模式下工作,，其輸出功率由式（1）確定。

PO≈0.5ηLPIP2f（1）

式中：PO為輸出功率,；
η為電源效率,；
LP為高頻變壓器的初級電感；
IP為LNK500的峰值電流,；
f為開關頻率,。

不難看出，PO與LP成正比,，IP2f的大小則受LNK500控制,。

高頻變壓器采用EE13型磁芯，配8引腳的骨架,。初級繞組NP1用φ0.13mm漆包線繞90匝,，NP2用φ0.16mm漆包線繞22匝，次級繞組用兩股φ0.25mm的三重絕緣線繞5匝,。在初,、次級繞組之間用3股φ0.25mm漆包線繞5匝，作為屏蔽層,。初級電感量LP=2.3mH（允許有±10％的誤差）,。高頻變壓器的諧振頻率不低于300kHz。

2.5W恒壓／恒流式充電器的輸出特性如圖2所示,。

圖2    2.5W充電器的恒壓／恒流輸出特性

2  帶以太網(wǎng)接口的15WDC／DC電源變換器模塊

2.1  以太網(wǎng)電源的性能特點
以太網(wǎng)（EthernetNetwork）是目前最常用的一種局域網(wǎng),。以太網(wǎng)電源簡稱POE（Power Over Ethernet），它僅通過一根以太網(wǎng)電纜即可同時為用戶提供數(shù)據(jù)和供電電源,，不需要再另外布線,。以太網(wǎng)電源中的電源裝置簡稱為PD，它具有以下特點：

——能提供PD檢測與分類信號,；
——能提供到DC／DC電源變換器的軟啟動接口,；
——具有過電流保護,、過電壓保護、過熱保護等功能,。

根據(jù)POE規(guī)范,，PD應具有以下3個基本功能：
1）能識別信號阻抗
當一個輸入電壓加到PD時，它必須在規(guī)定電壓范圍內(nèi)呈現(xiàn)正確的識別信號阻抗,。當某個以太網(wǎng)設備請求供電時,，首先給以太網(wǎng)發(fā)出2.5～10V的電壓信號，有效的PD檢測到此電壓信號后,，就將一個23.75～26.25kΩ的電阻置于供電回路上,，電流會隨輸入電壓而變化；通過檢測該電流確認在以太網(wǎng)電纜終端有一個有效的以太網(wǎng)設備需要供電,。如放置的電阻值在12～23.75kΩ或在26.25～45kΩ范圍內(nèi),，則認為該以太網(wǎng)設備有效但不需要供電。其他范圍的電阻值則意味著所檢測到的以太網(wǎng)設備無效,。
2）類型
PD有不同的類型,，每種類型對應于一定的電流。例如,，“0”類PD的電流為0.5～4mA,。當PD檢測有效信號之后，就對PD進行分類,。具體方法是將送到網(wǎng)絡鏈路上的電壓升高到15.5～20.5V,，使PD獲得一個固定的電流，再根據(jù)電流范圍完成PD分類,。
3）開關連接
連接以太網(wǎng)電源的開關主要有兩種,，一種是雙極型晶體管開關，其電源效率較高,，成本較低,；另一種為MOSFET開關，其電源效率極高（可接近于100％）,。

下面介紹一種帶以太網(wǎng)接口電路的同步整流式15WDC／DC電源變換器模塊,，可廣泛用于網(wǎng)絡及通信設備中。

2.2  15W以太網(wǎng)電源模塊的電路設計
由雙極型開關管和DPA424P構(gòu)成15WPOE模塊的內(nèi)部電路如圖3所示,。該電源由兩部分組成,，即以太網(wǎng)接口電路（電路中用虛線框表示）和DC／DC電源變換器。模塊中包含POE識別信號阻抗（24.9kΩ,，直流2.5～10V）,、“0類”類型電路（0.5～4mA，直流15～20V）。采用雙極型晶體管開關或MOSFET開關時,，POE接口的效率分別為η≥87％或η≥97％,。

圖3    由雙極型開關管和DPA424P構(gòu)成15WPOE模塊的內(nèi)部電路
 

2.2.1  以太網(wǎng)電源接口電路的工作原理
該以太網(wǎng)電源接口電路的工作過程可分為三個階段：在第一階段，當輸入電壓加到PD時,，它必須在直流2.5～10V的電壓范圍內(nèi)呈現(xiàn)正確的識別信號阻抗,，電阻R13（24.9kΩ）可提供這個阻抗；在第二階段,，當直流輸入電壓為15～20V時,，PD用一個規(guī)定的電流來識別裝置類型,，例如“0類”電流范圍是0.5mA～4mA,，這也由R13來完成；在第三階段,，通過雙極型開關管（VT）將輸入電壓接到DC／DC電源變換器上,，該電源變換器允許輸入超過30V（28V＋UR14）的直流電壓。此時穩(wěn)壓管VDZ1被反向擊穿,，通過R14給VT提供基極電流,。R15的作用是防止在其他條件下開啟電源。一旦開啟電源,，輔助繞組輸出的高頻電壓信號就經(jīng)過耦合電容C3,、整流管VD2和限流電阻R16來提高VT的直流偏壓，使基極電流增大,。在負半周時VD1導通,，可確保加到基極上的偏壓總為正壓。

如圖4所示為使用MOSFET（V3）的開關電路,。VDZ4及VDZ5分別采用28V及15V穩(wěn)壓管,。當輸入電壓超過28V時VDZ4被反向擊穿，使V3導通,，將電源開啟,。當輸入電壓超過43V時VDZ5也被反向擊穿，能限制V3的柵－源電壓,，起到保護作用,。R15能防止V3被誤導通。該以太網(wǎng)電源模塊的識別信號阻抗與輸入電壓的關系曲線如圖5所示,，識別電壓范圍是2.5～10V,。

2.2.2  15WDC／DC電源變換器的工作原理
DC／DC電源變換器的主要性能指標如下：
1）采用DPA424P型單片開關式穩(wěn)壓器，構(gòu)成正激,、隔離式,、3路輸出的DC／DC電源變換器模塊。直流輸入電壓范圍是36～75V，3路輸出分別為5V／2.4A,、7.5V／0.4A和20V／10mA,，總輸出功率為15.2W，開關頻率為400kHz,；
2）多路輸出,，穩(wěn)壓性能好，在最壞的情況下,，各路輸出的負載調(diào)整率指標見表1,，

表1    各路輸出的負載調(diào)整率指標

3）采用電容耦合式同步整流技術，DC／DC電源變換器的效率高達88％,；
4）能精確設定輸入線路的欠電壓,、過電壓值；
5）具有輸出過載保護,、開環(huán)保護和過熱保護功能,。

圖3中，輸入端EMI濾波器由C1,，L1和C2構(gòu)成,。R1為欠電壓值／過電壓值設定電阻，所設定的UUV=33.3V,，UOV=86.0V,。R1還能自動減小最大占空比，防止磁飽和,。R2為極限電流設定電阻,，取R2=13.3kΩ時，所設定的漏極極限電流ILIMIT′=0.57ILIMIT=0.57×2.50A=1.425A,。穩(wěn)壓管VDZ2可將漏極電壓箝位在安全范圍以內(nèi),。V1的等效柵極電容能給高頻變壓器提供最佳復位。

該電源以5V輸出作為主輸出,，其他兩路輸出都是在此基礎上獲得的,。由C11，R11,，R12和MOS場效應管V2及V1構(gòu)成5V主輸出的電容耦合式同步整流器,。穩(wěn)壓管VDZ3起箝位作用。在沒有開關信號時,，通過下拉電阻R13使V2關斷,。儲能電感L2回掃繞組的電壓經(jīng)過VD4和C9整流濾波后，獲得20V輸出,。高頻變壓器次級繞組（8－5）的電壓經(jīng)過VD3和C10整流濾波后獲得7.5V輸出,。將6.8V穩(wěn)壓管VDZ4和二極管VD7反極性串聯(lián)后作為7.5V輸出的負載電阻,，以改善空載穩(wěn)壓特性?？蛰d時輸出電壓一旦超過7.5V,，VDZ4就被反向擊穿，利用VDZ4和VD2上的壓降可將輸出電壓箝制在大約7.5V上,。正常工作時,，輔助繞組的輸出電壓經(jīng)過VD6、C5整流濾波后給光耦合器PC357提供12～15V的偏壓,。R5,、VD8和C16組成軟啟動電路，能防止在啟動過程中輸出過沖,。

該電源模塊的電源效率與輸入電壓的關系曲線如圖6所示,。

2.2.3  電路設計要點
1）采用雙極型功率開關管（VT）
（1）選擇雙極型開關管VT，要能承受較高的電壓并提供足夠的電流,，其電流放大系數(shù)要足夠高,。
（2）選擇R14以提供足夠大的基極電流，確保能夠開啟DC／DC電源變換器,。
（3）選擇R16（典型值為10～20Ω）以限制在開關過程中產(chǎn)生的尖峰電流。
（4）推薦采用Fairchild公司生產(chǎn)的TIP29C型雙極型中功率開關管,，其主要參數(shù)如下：集電極—發(fā)射極擊穿電壓UU（BR）CEO=100V,，基極最大允許電流IBM=0.4A，最大集電極電流ICM=1A,，集電極最大功耗PCM=30W,，hFE=75倍，fT=3.0MHz,。

2）采用功率MOSFET（V3）
（1）選擇R14以限制穩(wěn)壓管VDZ4和VDZ5的功耗,。
（2）選擇R15以確保在輸入電壓低于28V時能關閉V3。
（3）選擇VDZ4的穩(wěn)壓值以防止在輸入電壓低于28V時開啟V3,。
（4）注意,，R14及R15的電阻值還影響到VDZ4的損耗。
（5）選擇VDZ5的穩(wěn)壓值以限制V3的最大柵－源電壓（典型值應為15V）,。
（6）推薦采用Philips公司生產(chǎn)的IRF530N型N溝道功率MOSFET,。其主要參數(shù)如下：漏－源極擊穿電壓U（BR）DS=100V，最大漏極功耗PDM=79W,，漏－源通態(tài)電阻RDS（ON）=80mΩ,，跨導gFS=11S，導通時間tON=36ns,，關斷時間tOFF=12ns,。

3  結(jié)語
特種集成開關電源的種類很多，還可以設計LED驅(qū)動電源、地面數(shù)字電視播放（DVB－T）電源及電源適配器等新產(chǎn)品,；而LinkSwitch系列高效率恒壓／恒流式三端單片開關電源,、LinkSwitch－TN系列及DPA－Switch系列單片開關電源的問世，為實現(xiàn)中,、小功率特種開關電源的優(yōu)化設計創(chuàng)造了有利條件,。