嵌入式系統(tǒng)中小功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)以及電子應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)以其體積小、可靠性高、功耗低、軟硬件集成度高等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、過程控制、儀器儀表、航天航空、汽車船舶、網(wǎng)絡(luò)通信、軍事裝備、消費(fèi)產(chǎn)品等眾多領(lǐng)域。在這些系統(tǒng)中電源的結(jié)構(gòu)和性能起著關(guān)鍵性的作用，特別是需要使用220V交流電供電的多路電源的系統(tǒng)，其電源設(shè)計(jì)的合理性和可靠性尤為重要。過去常用的變壓器降壓、整流濾波后穩(wěn)壓的線性電源，在嵌入式系統(tǒng)要求體積小，利用率高的情況下，顯得不足。尋求體積小、效率高、成本低、可靠性好的開關(guān)電源成為一種迫切的需要。本文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的體會(huì)，以小功率單片開關(guān)電源集成電路FSD200為核心，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款適合嵌入式系統(tǒng)需求的小功率開關(guān)電源。

1 系統(tǒng)原理

在很多工業(yè)控制領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)中，輸入通常為220V的交流市電，而系統(tǒng)中需要多路直流電源驅(qū)動(dòng)功率器件和微處理器系統(tǒng)。一個(gè)典型的開關(guān)電源的原理結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，電網(wǎng)的中220V交流電首先經(jīng)過整流電路，饋送到FSD200。

圖1 嵌入式中小功率多路開關(guān)電源的原理框圖

該器件的輸出通過變壓器隔離耦合后，穩(wěn)壓輸出12V直流，其大小可以通過改變穩(wěn)壓電路部分來實(shí)現(xiàn)。電壓輸出端由TL431精密穩(wěn)壓器和線性光耦組成一個(gè)反饋回路，控制FSD200中的脈寬調(diào)制比例，實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的穩(wěn)定輸出。得到12V的直流電壓后，可以通過DC/DC變換器，得到系統(tǒng)需要的5V、3.3V和2.7V等所需電源。

2 FSD200結(jié)構(gòu)原理

FSD200是Fairchild公司近年推出的小功率單片開關(guān)電源集成電路，輸出功率7W，內(nèi)部集成了PWM控制及功率MOS管，并有過熱保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、欠壓鎖存、軟起動(dòng)、電流限制等功能，其獨(dú)特的頻率抖動(dòng)電路能較好地減弱電磁干擾。

FSD200單片開關(guān)電源的內(nèi)部框圖如圖2所示。

圖2 FSD200內(nèi)部功能原理框圖

FSD200單片開關(guān)電源啟動(dòng)時(shí)，直流高壓電源通第8引腳Vstr進(jìn)入芯片內(nèi)部的高壓調(diào)節(jié)器，再穩(wěn)壓到7V作為芯片的工作電壓U cc，同時(shí)以約100μA的電流源向參考電壓及欠壓鎖存模塊充電。第5引腳V c c的外接電容一般選在1 0 ~ 4 7 μ F ， 這種方式省去了通常開關(guān)電源須采用反饋線圈提供工作電壓的需要。

FSD200是電壓控制模式器件，與典型的開關(guān)電源電路一樣，采用線性光耦PC817與可調(diào)式精密穩(wěn)壓器TL431組成高頻變壓器二次側(cè)的電壓反饋網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)負(fù)載變化引起輸出電壓變化時(shí)，反饋網(wǎng)絡(luò)將信號回饋至第4引腳Vfb，與振蕩器送出的鋸齒波比較，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波脈寬的變化，最后使高頻變壓器二次側(cè)的輸出電壓穩(wěn)定，完成反饋控制。

3 TL431結(jié)構(gòu)原理

TL431是美國德州公司開發(fā)的一個(gè)有良好熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)精密電壓基準(zhǔn)集成電路。它有三個(gè)引出腳，其中，K為控制端，A為接地端，R為取樣端。它由多級放大電路、偏置電路、補(bǔ)償和保護(hù)電路組成，在原理上它是一個(gè)單端輸入、單端輸出的多級直流放大器。其等效功能框圖如圖3，由一個(gè)2.5V的精密基準(zhǔn)電壓源、一個(gè)電壓比較器和一個(gè)輸出開關(guān)管等組成。[!--empirenews.page--]

圖3 TL431等效功能框圖

參考端R的輸出電壓與2 。 5V的精密基準(zhǔn)電壓源相比較，當(dāng)R端電壓超過2.5V時(shí)，TL431立即導(dǎo)通，反之截止。

單片TL431的電壓基準(zhǔn)如同低溫系數(shù)齊納管一樣運(yùn)行，通過2個(gè)外部的電阻可以實(shí)現(xiàn)從2.5V到36V的穩(wěn)定輸出。典型的應(yīng)用電路如圖4所示。

圖4 TL431的典型應(yīng)用電路

當(dāng)R 1和R 2的阻值確定時(shí)，兩者對U o的分壓引入反饋。若U o增大，反饋量增大，TL431的分流也就增大，從而又使U o下降。顯然，這個(gè)深度的負(fù)反饋必然在參考點(diǎn)的電壓等于基準(zhǔn)電壓處穩(wěn)定。

穩(wěn)壓值可以通過下面的簡化公式進(jìn)行計(jì)算：

4 應(yīng)用電路

圖5是采用FSD200設(shè)計(jì)的一種微型小功率單片開關(guān)電源的典型電路。

圖5 基于FSD200的小功率開關(guān)電源應(yīng)用電路 

圖中采用的是典型的反激式功率變換電路。

這種電路不需要額外的電感存儲(chǔ)能量，圖中的變壓器可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)直流隔離、能量存儲(chǔ)和電壓變化的功能。電路中采用了可調(diào)式精密穩(wěn)壓器TL431作為12V輸出的誤差放大器，再與線性光耦PC817組成隔離式反饋電路。當(dāng)12V輸出電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，經(jīng)R 41和R 42分壓后得到的采樣電壓與TL431中的2.5V基準(zhǔn)電壓比較，并在陰極上形成誤差電壓，使光耦中的發(fā)光二極管電流I F產(chǎn)生相應(yīng)的變化，光耦副邊的光敏三極管的I C也相應(yīng)變化，由此調(diào)節(jié)FSD200輸出的占空比，最后使輸出的12V直流電壓不變，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。

5 結(jié)束語

長期以來，1 0W以下的小功率穩(wěn)壓電源方案，成本較高、線路復(fù)雜。采用FSD200單片開關(guān)電源集成電路設(shè)計(jì)的開關(guān)電源線路簡單，工作可靠，體積小、效率高、成本低。在實(shí)際中可以廣泛使用在需要220V交流輸入，要求體積小、成本低的微型小功率的嵌入式系統(tǒng)中。