摘要：與傳統(tǒng)的開關(guān)電源相比，特種集成開關(guān)電源具有電路新穎、功能奇特、性能先進、應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛等特點。詳細(xì)介紹了兩種新型特種單片開關(guān)電源模塊的電路設(shè)計，一種是2.5W恒壓／恒流式充電器模塊，另一種是帶以太網(wǎng)接口的15WDC／DC電源變換器模塊。

關(guān)鍵詞：單片開關(guān)電源；模塊；恒壓／恒流；以太網(wǎng)電源；同步整流

0    引言

    特種集成開關(guān)電源主要包括以下5種類型[1]：

    1）復(fù)合型開關(guān)電源；

    2）恒壓／恒流（CV／CC）型開關(guān)電源；

    3）截流輸出型開關(guān)電源；

    4）恒功率輸出型開關(guān)電源；

    5）其他專用開關(guān)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(guān)電源有兩種設(shè)計方案：第一種是采用通用單片開關(guān)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(shè)計而成的，其特點是輸出功率較大，但外圍電路復(fù)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(guān)電源芯片，或選用LinkSwitch－TN系列、DPA－Switch系列單片開關(guān)電源專用IC[2]，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(guān)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(shè)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(lǐng)域。

1.1    性能特點和技術(shù)指標(biāo)

    1）采用高效率恒壓／恒流式單片開關(guān)電源LNK500，交流輸入電壓范圍是85～265V，當(dāng)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)CISPR22B／EN55022B。

1.2    2.5W恒壓／恒流式充電器模塊的電路設(shè)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(fù)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V_D1～V_D4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(dǎo)通時，輸出整流管V_D6截止，此時電能就儲存在高頻變壓器中。當(dāng)功率MOSFET關(guān)斷時，V_D6導(dǎo)通，儲存在高頻變壓器中的能量就通過次級電路輸出。V_D6采用1A／100V的肖特基二極管SB1100，R₄和C₇并聯(lián)在V_D6兩端，能防止V_D6在高頻開關(guān)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(fù)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V_D5構(gòu)成的RCD型箝位電路具有以下功能：

    1）當(dāng)功率MOSFET關(guān)斷時，對初級感應(yīng)電壓進行箝位；

    2）能簡化反饋電路的設(shè)計。

    控制端的反饋電流由電阻R₂來設(shè)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(shè)計了兩個繞組，分別為N_P1及N_P2。N_P2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。

    P_O≈0.5ηL_PI_P²f（1）

式中：P_O為輸出功率；

            η為電源效率；

      L_P為高頻變壓器的初級電感；

      I_P為LNK500的峰值電流；

      f為開關(guān)頻率。

    不難看出，P_O與L_P成正比，I_P²f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N_P1用φ0.13mm漆包線繞90匝，N_P2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L_P=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(yīng)具有以下3個基本功能。

    1）能識別信號阻抗    當(dāng)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(dāng)某個以太網(wǎng)設(shè)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(rèn)在以太網(wǎng)電纜終端有一個有效的以太網(wǎng)設(shè)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(rèn)為該以太網(wǎng)設(shè)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(shè)備無效。

    2）類型    PD有不同的類型，每種類型對應(yīng)于一定的電流。例如，“0”類PD的電流為0.5～4mA。當(dāng)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(luò)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(guān)連接    連接以太網(wǎng)電源的開關(guān)主要有兩種，一種是雙極型晶體管開關(guān)，其電源效率較高，成本較低；另一種為MOSFET開關(guān)，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(luò)及通信設(shè)備中。

2.2    15W以太網(wǎng)電源模塊的電路設(shè)計

    由雙極型開關(guān)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(guān)或MOSFET開關(guān)時，POE接口的效率分別為η≥87％或η≥97％。

圖3    由雙極型開關(guān)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(dāng)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(dāng)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(guān)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＋U_R14）的直流電壓。此時穩(wěn)壓管VD_Z1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(fù)半周時VD₁導(dǎo)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(guān)電路。VD_Z4及VD_Z5分別采用28V及15V穩(wěn)壓管。當(dāng)輸入電壓超過28V時VD_Z4被反向擊穿，使V₃導(dǎo)通，將電源開啟。當(dāng)輸入電壓超過43V時VD_Z5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(dǎo)通。該以太網(wǎng)電源模塊的識別信號阻抗與輸入電壓的關(guān)系曲線如圖5所示，識別電壓范圍是2.5～10V。

圖4    使用MOSFET的開關(guān)電路

圖5    識別信號阻抗與輸入電壓的關(guān)系曲線

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(biāo)如下：

    1）采用DPA424P型單片開關(guān)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(guān)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(fù)載調(diào)整率指標(biāo)見表1，

表1    各路輸出的負(fù)載調(diào)整率指標(biāo)

    4）能精確設(shè)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(shè)定電阻，所設(shè)定的U_UV=33.3V，U_OV=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(shè)定電阻，取R₂=13.3kΩ時，所設(shè)定的漏極極限電流I_LIMIT′=0.57I_LIMIT=0.57×2.50A=1.425A。穩(wěn)壓管VD_Z2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(fù)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(chǔ)上獲得的。由C₁₁，R₁₁，R₁₂和MOS場效應(yīng)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VD_Z3起箝位作用。在沒有開關(guān)信號時，通過下拉電阻R₁₃使V₂關(guān)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VD_Z4和二極管VD₇反極性串聯(lián)后作為7.5V輸出的負(fù)載電阻，以改善空載穩(wěn)壓特性。空載時輸出電壓一旦超過7.5V，VD_Z4就被反向擊穿，利用VD_Z4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(guān)系曲線如圖6所示。

圖6    電源效率與輸入電壓的關(guān)系曲線

2.2.3    電路設(shè)計要點

    1）采用雙極型功率開關(guān)管（VT）

    （1）選擇雙極型開關(guān)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(guān)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(guān)管，其主要參數(shù)如下：集電極—發(fā)射極擊穿電壓U_U（BR）CEO=100V，基極最大允許電流I_BM=0.4A，最大集電極電流I_CM=1A，集電極最大功耗P_CM=30W，h_FE=75倍，f_T=3.0MHz。

    2）采用功率MOSFET（V₃）

    （1）選擇R₁₄以限制穩(wěn)壓管VD_Z4和VD_Z5的功耗。

    （2）選擇R₁₅以確保在輸入電壓低于28V時能關(guān)閉V₃。

    （3）選擇VD_Z4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VD_Z4的損耗。

    （5）選擇VD_Z5的穩(wěn)壓值以限制V₃的最大柵－源電壓（典型值應(yīng)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P_DM=79W，漏－源通態(tài)電阻R_DS（ON）=80mΩ，跨導(dǎo)g_FS=11S，導(dǎo)通時間t_ON=36ns，關(guān)斷時間t_OFF=12ns。

3    結(jié)語

    特種集成開關(guān)電源的種類很多，還可以設(shè)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(guān)電源、LinkSwitch－TN系列及DPA－Switch系列單片開關(guān)電源的問世，為實現(xiàn)中、小功率特種開關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計創(chuàng)造了有利條件。