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一种具有反接保护的外部使能电源设计

2022-07-23中国兵器工业第二一四研究所傅旭东贾丹丹

电子世界 2022年1期
关键词:低电平调节器电感

中国兵器工业第二一四研究所 高 慧 李 坤 傅旭东 贾丹丹

电源电路为提高可靠性、达到保护电路的作用,灵活控制电源的开启和关闭目的,通过介绍降压电源电路工作原理,提出一种反接保护、外部使能等功能的具体电路设计。通过电路原理分析,设计电路实现电源基本输出电压功能外还能够保护电路,提高可靠性,且实现自动控制电源的开启和关闭。

电源电路除了基本的输出性能满足技术要求之外,可靠性、可控性的设计应用有待进一步提高。通过系统性地描述降压电源电路的工作原理,对各个基本功能的实现电路设计具体说明,包括防反接电路、外部使能电路等。根据实际电路应用结果,设计的电路能有效提高可靠性,保护电路,同时可通过外部电路实现自动化控制。

1 降压电源电路工作原理

降压电源电路由输入正极V-in、负极GND,输出正极Vout、负极GND,使能端EN,降压电源转换器N1及转换器周边电路组成,具体原理图见图1所示。

图1 降压电压工作原理图

当N1电源转换器内的开关管导通时,输入的整流电压经过开关管和电感向输出电容充电,这一电流使电感中的储能增加。当开关管截止时,电感感应出左负右正的电压,经负载释放电感中存储的能量,维持输出直流电压的不变。

2 降压电源电路设计

利用直流降压转换器N1内部集成的功能,在其外围添加能够实现多种功能的电路,达到稳定电压、稳定电流、防反接、外部使能等功能的实现。

2.1 输入防反接保护功能

输入正极电压V-in经过二极管D1,电容C2、C6到转换器的Vin和Pvin端。

输入防反接保护功能电路由D1二极管组成。利用二极管的单向导电性,当输入电源正极V-in、负极GND正确接法时,电压通过二极管输入到转换器N1的Vin和Pvin端;当输入电源正极V-in、负极GND接反后,因二极管反向截止,电流不能通过二极管,起到保护作用,不会损伤转换器集成电路。

为最小化输入电压的纹波,且能确保电路正常工作,选用一个低阻抗的陶瓷电容C6,10uF与地连接;考虑若后续电路布局转换器的Vin和Pvin端连线很长,影响电路高频性能,选用一个低阻抗0.1uF的陶瓷电容C2与地连接。

转换器的Pvin端是功率电源输入端;Vin端是转换器内部电压调节器的供电端,故两个引脚端连接在一起。

2.2 电压输出功能

输入电压经过降压转化器N1内部电路的作用,从Pvout端输出稳定的电压Vout。

2.2.1 功率电源功能

转换器内部Pvin端到Pvout功率电源的原理示意图如图2所示。

图2 功率电源原理示意图

功率电源电路内部由4个N沟道MOS开关管和它们相关的门驱动器,外部包括图1中电容C7、C8、C12、C13、电感L1组成。一个内部脉冲宽度调节器产生适当的占空比来控制门驱动器的工作,进而调节MOS管开关的导通和截止,以保持输出电压的稳定调节。当输入高电压降到输出低电压,转换器工作在降压模式,除了开关最低电平持续时间,MOS管D在整个周期内保持导通状态,电感L1右侧的电压可以输出到Pvout端。在开关最低电平持续时间,MOS管C导通,迫使SW2保持低电平,并且给电容C8充电,确保MOS管D对应的门驱动器电源在BST2上保持不变。Pvout输出低电平,由于输出电容C12、C13容值较大共44uF,在短时间内放电的电量较少,故Pvout端压降基本保持不变。MOS管A和B的工作占空比由PMW调节,保持输出电压工作在降压模式。

电感L1选用一个低阻抗,范围在4.7uF与15uF之间,在降压工作模式,大电感可以减少电感上电流纹波,所以本设计选用10uF的电感。输出电容值选取方法与输入容值一致,最小化输出电压纹波。C7、C8选用68nF的陶瓷电容。

2.2.2 采样反馈稳压输出

Pvout端输出电压通过电阻采样,反馈电压到转换器N1内部,通过内部电路比较调节,最终输出稳定的电压。采样反馈电路示意图如图3所示。

图3 采样反馈原理示意图

输出电压经过采样电阻R4、R5分压,电阻R5上压降通过FB端反馈到转换器内部。反馈电压输入到内部高增益跨导误差放大器,并且输出压降VC。VC连接到一个高增益、积分放大器的同相端,放大器负端通过设定的增益电阻Rcs1、内部频率补偿网络Rcs2、Ccs1、Ccs2连接到电感电流感应电路。积分放大器的输出提供周期占空比命令到PWM脉冲宽度调制电路。

如果Vout上功率转换负载增大,Vout的瞬时电压将会稍稍下降,FB上压降下降,导致误差放大器的输出VC电压升高。当VC升高的一瞬,积分放大电路的输出VIA也立刻升高,发出更大的周期占空比的命令。电感电流感应电路交互检测SWA、SWB的电流,通过一个电阻Rx产生压降,即将电感电流波形转换为电压。占空比增大会导致一个较高电感电流值,最终Rx上的电压升高。一旦Rx上电压与VC值相等,VIA上电压恢复接近它的先前值作用于脉冲宽度调节器,调节电流占空比以保持电压稳定调节在一个新的更高电感电流水平上。通过转换器内部电路一系列的调节,Pvout端的输出电压保持稳定。

电压误差放大器的同相端预置1V,FB的标称电压是1V,预实现12V的稳压输出。即FB=R5/(R4+R5)=1V,取R4=2MΩ,则R5约为182KΩ。

2.2.3 突发模式工作

突发模式工作原理图见图4所示。

图4 突发模式原理示意图

当MODE脚是低电平,转换器工作在突发模式。在轻负载时,当输出电压达到它的标称调节值,转换器将进入待机或休眠状态。休眠状态停用脉冲宽度调节器,并且关闭转换器所有非必需的功能,大大地减少转换器的静态电流,有效地改善总功率的转换效率。

由于转换器不在休眠状态下工作,输出电压会以一定的速度慢慢衰减。当输出电压已经衰减1%,转换器会被激活,重新继续启动脉冲宽度调节器工作,直到Vout上的电压恢复到先前水平。如果负载非常轻,转换器要切换几个周期来恢复Vout,并且可能长时间休眠,这显著提高效率。图1设计电路中,MODE脚连接到地,是低电平,转换器工作在突发模式。

2.3 电流输出功能

电路的功率电流输出回路与功率电压输出电路一致,如上图2所示,平均输出电流电路原理图如图5所示。

图5 平均输出电流电路原理示意图

平均输出电流电路可以监视或控制输出电流。转换器内部的一个电阻Rs,低直流偏置放大器直接检测Vout线路上的电流,并分配产生一小部分电流Iout/25K到PROG端。PROG端与地之间的电阻R2、电容C5产生一个电压与平均输出电流成正比。如果PROG端电压超过1V的参考水平,放大器输出会拉低VC,并作用于脉冲宽度调节器,以调整占空比。平均电流输出公式如下:Iout(AVG)≈25000*1V/Rprog。如果不考虑响应速度,C5容值至少3倍于电压误差放大器补偿电容C11。为达到满量程电流,选取电阻R2的阻值为20KΩ,C5的容值为33nF,即Iout(AVG)≈1.25A。

2.4 外部控制使能功能

通过使能电压的设定,可以灵活开启和关闭转换器,使能原理示意图如图6所示。

图6 使能电路原理示意图

转换器RUN脚除了作为一个数字信号输入使能某些功能,其内部还包含一个精确比较器。当RUN被驱动高于它的数字阈值0.7V,LDO调节器被启动,给内部控制电路提供电源。如果RUN电压进一步增加,它超过精准阈值1.2V,转换器所有的功能被启动。如果RUN上压降低于精确比较器阈值1.2V,转换器将禁止开关工作,但是LDO调节器和控制电路将保持动力,除非RUN脚电压低于0.7V。为了完全地关闭转换器和减少输入静态电流,必需保证RUN低于0.3V。一旦转换器被使能启动,RUN比较器包含一个内置大约140mV的滞后,所以关闭阀门电压会比开启电压低大约8.33%。在转换器被使能后,RUN比较器内部阈值电压为1.1V。RUN比较器对噪声不敏感,但在PCB布局时,附近有噪声大的组件,噪声影响是不可避免的,可能引起转换器的间歇开启和关闭。因此在RUN脚与地之间加电容C1、C3,保证电路正常工作,容值的选取分别为0.1uF、10uF兼顾滤除高频信号和低频信号。电阻R1作为限流电阻,阻值为2KΩ,防止因外部输入电压、电流过大而损伤电路。

通过前文对各功能电路的具体原理进行说明,并分析各外部参数具体取值选取依据。降压电源电路除了实现基本的输出电压、输出电流功能,还设计了防反接电路和外部使能电路,提高电路的可靠性以及可控性,对电路稳定、高效、自动化工作提供良好的基础。后期的实际电路应用中,电路的上述功能全部实现,设计电路合理、可靠。

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