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一種超低電流隔離型開關(guān)電源的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

出處:佚名 發(fā)布于:2011-09-02 17:48:56

 

  在非連續(xù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)中,開關(guān)電源常常需要工作在一個(gè)相互矛盾的條件下,即要求輸入和輸出之間保持較高的隔離度和靜態(tài)電流極低的待機(jī)模式。由于工作狀態(tài)下消耗的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于待機(jī)功耗,這樣的組合要求增大了設(shè)計(jì)難度。由于需要在隔離和低功耗之間進(jìn)行折衷,目前商用化的電源模塊幾乎都不能滿足這樣的要求。

  本文討論了對(duì)一款用于無線通信設(shè)備的隔離型開關(guān)電源的測(cè)試結(jié)果,電源輸入電壓為12V,輸出3.6V,具有目前市面上的靜態(tài)電流。這款電源是為EGSM、WiFi和ZigBee通信模塊設(shè)計(jì)的,其遠(yuǎn)端控制功能可以在惡劣環(huán)境下用于電機(jī)激勵(lì)和電子檢測(cè)。

  無線通信在過去5年發(fā)生了突飛猛進(jìn)的增長(zhǎng),并將繼續(xù)保持增長(zhǎng)勢(shì)頭。除了GSM和3G移動(dòng)通信系統(tǒng),基于IEEE無線標(biāo)準(zhǔn)802.xx1各種版本的Bluetooth、WiFi、Winmax和ZigBee等新興通信技術(shù)也在不斷發(fā)展。目前,包括小型無線監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備在內(nèi)的監(jiān)控需求越來越多,這樣的設(shè)備必須滿足苛刻的尺寸和功率要求。為了滿足這些要求,集成供應(yīng)商必須通過高度集成的芯片來降低系統(tǒng)尺寸2和功耗3,4.

  無線設(shè)備供電電源的一項(xiàng)重要指標(biāo)是延長(zhǎng)電池的使用壽命,主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是在保證無線通信系統(tǒng)性能的前提下降低功耗。綜合上述條件,需要考慮以下設(shè)計(jì)特點(diǎn):

  非連續(xù)收發(fā);

  電源濾波或穩(wěn)壓;

  高效電路拓?fù)洹?/P>

  上述個(gè)特點(diǎn)取決于傳輸系統(tǒng),第二個(gè)要求可以通過開關(guān)電源實(shí)現(xiàn),而第三個(gè)要求則由開關(guān)電源本身的功耗決定,另外還需要盡可能減小待機(jī)功耗。因此,通過上述三個(gè)特點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

  非連續(xù)收/發(fā)

  因?yàn)闊o線系統(tǒng)中,發(fā)送器和接收器耗電,很多設(shè)備采用了非連續(xù)發(fā)送/接收方案,以優(yōu)化通信鏈路的空間接口資源和效率。由于無線通信單元不時(shí)連續(xù)工作,有利于降低整體功耗。

  另一方面,非連續(xù)傳輸會(huì)在電源中引入較大的電壓紋波和電流峰值5.偏置電壓的穩(wěn)定性會(huì)直接影響收發(fā)器的性能,電源電壓的跌落將大大降低射頻電路的工作指標(biāo),從而很難滿足通信設(shè)備的規(guī)格要求。系統(tǒng)由蓄電池供電時(shí),電池壽命和放電特性對(duì)負(fù)載的峰值電流也非常敏感。

  電源濾波和穩(wěn)壓

  電源可以通過一個(gè)大電容或其它技術(shù)進(jìn)行濾波(參考文獻(xiàn)6)。電源電壓通過線性穩(wěn)壓器或開關(guān)電源進(jìn)行調(diào)節(jié),穩(wěn)壓不僅僅可以降低紋波還可以減小EMI,以保持無線設(shè)備的工作性能。

  大功率電源拓?fù)?/STRONG>

  電源的效率非常關(guān)鍵,因此,需選擇拓?fù)涞拈_關(guān)電源。表1列出了常見的商用化DC-DC轉(zhuǎn)換模塊的,但這些模塊不能滿足我們的目標(biāo)需求:空載時(shí)保持超低功耗。即使是非隔離電源在空載時(shí)也會(huì)消耗相當(dāng)大的電流,我們的目標(biāo)是在空載條件下將電源電流限制在12mA以內(nèi),為了達(dá)到這一目標(biāo),我們把待機(jī)電流和靜態(tài)電流按以下的方式劃分:

  靜態(tài)電流是空載下保持穩(wěn)壓所需的電源電流;

  待機(jī)電流是當(dāng)電源不為系統(tǒng)提供穩(wěn)壓輸出時(shí)的電源電流。

  ,我們還需要提供隔離,在惡劣環(huán)境下為系統(tǒng)可靠工作提供必要的保護(hù)。

  當(dāng)前技術(shù)水平

  上述討論表明為無線設(shè)備設(shè)計(jì)電源時(shí)需要考慮以下問題:

  非常低的空載功耗;

  隔離;

  效率和尺寸。

  基于上述三個(gè)條件,設(shè)計(jì)高效轉(zhuǎn)換器時(shí)須注意以下三個(gè)方面:

  隔離;

  控制方法;

  反饋回路的拓?fù)洹?/P>

  隔離

  電源的輸入和輸出隔離是通過變壓器實(shí)現(xiàn)的,對(duì)于逆變和反激拓?fù)洌芰績(jī)?chǔ)存在變壓器電感內(nèi),問題是如何提供變壓器次級(jí)到原級(jí)的反饋。大多數(shù)系統(tǒng)通過使用額外的繞組或光耦實(shí)現(xiàn)。輔助繞組提高了復(fù)雜度,而且在低壓輸出以及負(fù)載變化時(shí)不能保證足夠的輸出電壓。

  電源系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí),光耦需要穩(wěn)定的電流流過原級(jí)LED.為優(yōu)化系統(tǒng),需盡可能降低該電流(圖1)。通過減小低電流下光耦的轉(zhuǎn)移系數(shù)(CTR) (10mA時(shí)63%,1mA時(shí)22%),并降低光耦速度可以使這個(gè)電流達(dá)到。此外,還需要誤差比較器、精密基準(zhǔn)TLV431的電流,使其保持在值(Ikmin = 100μA)。

  圖1. 輸出分壓電路產(chǎn)生誤差比較器信號(hào),用于隔離圖3所示開關(guān)電源。

  對(duì)于連接在基準(zhǔn)輸出的分壓電阻R131和R137,為了減小電流須選擇大阻值電阻。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮補(bǔ)償輸入電流和輸入電容造成的延遲(這個(gè)問題可以通過電容分壓解決)。由于輸出電容(C47)很大,需要選擇低ESR電容(鉭、OsCon、有機(jī)鋁電容等)。另外還要求電容具有極低的漏電流,應(yīng)為漏電流(特別是在高溫情況下)會(huì)產(chǎn)生很大的損耗(對(duì)于一個(gè)16V Kemet T495 100μF電容,IL在25°C 時(shí)等于16μA,85°C時(shí)會(huì)達(dá)到160μA)。

  控制電路

  常見的電源拓?fù)涫请娏髂J矫}寬調(diào)制(PWM),通過改變脈沖寬度控制電感的充電電流。負(fù)載較重時(shí),通過加大脈沖寬度使電感儲(chǔ)存更多能量(圖2)。負(fù)載較輕時(shí),通過減小脈沖寬度降低電感儲(chǔ)能。對(duì)于低電流負(fù)載,電源工作在非連續(xù)模式,主要電流損耗源于電源本身。

  圖2. 脈寬調(diào)制器(PWM)控制產(chǎn)生控制電壓(中線)和電感電流(底線),以響應(yīng)負(fù)載電流的變化(頂部)。

  PWM的好處是固定頻率,簡(jiǎn)化了EMI控制的電路設(shè)計(jì),并可提高重載下的效率。其主要缺陷是在輕載或空載條件下相對(duì)電流損耗較大,因?yàn)檎{(diào)節(jié)器內(nèi)部振蕩器工作在固定頻率(例如,UC3845在輕載下電流損耗為:Icc = 17mA)。圖3為UC3845主控制器電壓、電流反饋網(wǎng)絡(luò)的典型電流損耗。

  圖3. PWM控制器(U41)利用光耦隔離產(chǎn)生變壓器次級(jí)到原級(jí)的反饋。

  反饋網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/STRONG>

  電壓反饋由流過光電晶體管(光耦U45內(nèi)部)到R135的電流提供,R135需要盡可能大,以降低功耗,但還必須保持光耦正常工作的電阻值。

  電流反饋通過R134的壓降產(chǎn)生,為降低功耗,在該電壓和基準(zhǔn)(VREF = 5V,第8引腳)之間采用R125、R133分壓,在ISENSE (第3引腳)端得到1V電壓。分壓電阻必須有足夠大的阻值,以降低功耗;但還必須注意電阻與C53形成的RC濾波器不會(huì)影響電流信號(hào)。消耗在R126和C46振蕩器元件的功耗是不可避免的,因?yàn)樾枰冀K保持輸出電壓。

  更新方案進(jìn)一步降低功耗

  對(duì)于基于UC38C41或MAX5021 PWM控制器和TLV431C或MAX8515A精密基準(zhǔn)設(shè)計(jì)的電源來說,通過幾種渠道可以進(jìn)一步降低功耗??梢赃x擇合適的元件降低功耗。

  誤差比較器

  通常選擇TL431提供精密基準(zhǔn),但它不適合本設(shè)計(jì),因?yàn)樗a(chǎn)生的電壓(VA-Kmin = VREF = 2.5V,加上U45 LED和R124的壓差)過于接近3.6V的輸出電壓。一種替代選擇是使用MAX8515并聯(lián)基準(zhǔn),其基準(zhǔn)電壓僅為0.6V,在-40oC至+85°C溫度范圍內(nèi)能夠保持1%的。對(duì)于低壓輸出應(yīng)用,該款I(lǐng)C是理想的選擇,因?yàn)樗鼪]有上述高基準(zhǔn)電壓的限制(基準(zhǔn)電壓達(dá)到2.5V)。

  該應(yīng)用實(shí)例的另一選擇是TLV431C并聯(lián)型基準(zhǔn),可以從多家供應(yīng)商獲得,能夠滿足基準(zhǔn)要求:VREF = 1.24V,0oC至+70°C范圍可保持1%。分壓網(wǎng)絡(luò)電流固定在24μA,保證基準(zhǔn)電流(溫漂0.5μA)對(duì)輸出電壓沒有明顯影響。另外,須保證輸入電容產(chǎn)生的信號(hào)延遲不會(huì)影響電路的正常工作。

  PWM控制器

  傳統(tǒng)的UC3845(圖3)控制器電流損耗大約為17mA (VFB和VSENSE = 0V),對(duì)于本應(yīng)用該電流過高,可以采用MAX5021代替。MAX5021的封裝為SOT23-6,在同類IC中尺寸。它還具有工作電流(1.2mA),內(nèi)置260kHz振蕩器,0.6V的VISENSE,可以直接由光耦輸入,其很多特性均可滿足該類應(yīng)用的要求。其不足之處是欠壓保護(hù)門限10Voff/24Von不適合12V輸入的應(yīng)用。另外,它具有極低的待機(jī)電流,非常適合高輸入電壓的場(chǎng)合。

  可以考慮的一款I(lǐng)C是UCC38C41,其欠壓保護(hù)門限6.6Voff/7.0Von,典型電流損耗ICC = 2.3mA.電流檢測(cè)電路消耗電流100uA,光耦消耗電流530uA.為了維持光電晶體管電流,LED需要至少1mA電流。所得到的電源尺寸大約50x30mm,包括兩個(gè)光耦,一個(gè)用于控制環(huán)路反饋,另一個(gè)用于檢測(cè)輸入端的電池電壓。這個(gè)電源性能如下:

  功率 = 3.6W;

  輸入電壓范圍:10V至15V;

  標(biāo)稱輸入電壓Vin = 12V;

  隔離(需要電流隔離);

  降壓型反激拓?fù)洌?/P>

  電壓和電流控制環(huán)路;

  PWM控制模式;

  開關(guān)頻率是250kHz;

  輸出電流是1A;

  輸出電壓是3.6V;

  空載電流5.7mA.

  測(cè)試結(jié)果

  圖4是用于幾款無線模塊的原形電路,工作在非連續(xù)模式,峰值電流為3A,平均電流為1A.為了減小峰值電流并解決由此帶來的問題,設(shè)計(jì)時(shí)需要參考文獻(xiàn)5和6討論的相關(guān)技術(shù)。推薦使用大容值、低ESR電容。

  圖4. 該電路板包括圖3所示電源的光耦隔離。

  測(cè)試結(jié)果(表2和表3)沒有包括輸入濾波電路和保護(hù)電路的共模損耗。表2給出了不同輸入電壓下的空載電流。

  電流可以達(dá)到5mA,這個(gè)值還可以進(jìn)一步減小到3mA,但可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了防止自激并考慮元件的容差,為了留出一定的裕量,將電流設(shè)置在略高于5mA.如表3所示,在標(biāo)稱工作條件下,典型負(fù)載下,電路經(jīng)過優(yōu)化可以達(dá)到效率。圖5給出了不同輸出電流下的效率。

  圖5:圖3所示電源的效率曲線,在標(biāo)稱12V輸入電壓、不同負(fù)載下效率非常穩(wěn)定(曲線保持平坦)。

  根據(jù)我們掌握的數(shù)據(jù),目前商用化的、具有類似特性的隔離電源,其空載電流為20mA.利用常見的元器件,本文介紹的應(yīng)用電路可以將靜態(tài)電流降至5mA,由于我們12mA的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

 

 

  

參考文獻(xiàn):

[1]. CTR datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/CTR_2043386.html.
[2]. TLV431 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/TLV431_1075046.html.
[3]. UC3845 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/UC3845_1059059.html.
[4]. MAX8515A datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/MAX8515A_1019705.html.
[5]. TL431 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/TL431_651177.html.
[6]. MAX8515 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/MAX8515_1019704.html.
[7]. MAX5021 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/MAX5021_1090130.html.


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