一款-48V轉(zhuǎn)5VSTBY電源電路的設(shè)計(jì)

引言

現(xiàn)代電子技術(shù)的應(yīng)用迅速地發(fā)展，對(duì)電子儀器和設(shè)備要求性能上更加安全可靠，功能上，不斷地增加。在使用上自動(dòng)化程度越來(lái)越高。在體積上，要日趨小型化。這使采用具有眾多優(yōu)點(diǎn)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源就顯得更加重要了。所以，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源在計(jì)算機(jī)、通信、航天、彩色電視等方面都得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮了巨大的作用[1]。該-48V轉(zhuǎn)5VSTB方案采用的是中小功率開(kāi)關(guān)電源中最典型的單端反激模式，電路中DC/DC轉(zhuǎn)換采用POWERINT公司寬范圍輸入的三引腳PWM開(kāi)關(guān)TOP414G，它的最高工作頻率132KHz，最大占空比70%。

TOP414G內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

TOP414G的內(nèi)部功能框圖如下圖1所示。內(nèi)部集成有高壓MOS開(kāi)關(guān)管(圖1右邊那個(gè)MOS管)，其工作原理就是通過(guò)Control引腳采樣到的反饋信號(hào)(IFB)經(jīng)過(guò)內(nèi)部控制電路調(diào)節(jié)大功率MOS管的導(dǎo)通和截止時(shí)間(占空比)，從而控制其漏極的輸出，達(dá)到穩(wěn)定電路輸出電壓的目的。下面是其引腳定義：

C pin：誤差放大和反饋電流輸入引腳，用來(lái)調(diào)節(jié)芯片內(nèi)部MOS開(kāi)關(guān)管的占空比 S pin：內(nèi)部MOS開(kāi)關(guān)管的源極，也就是DC/DC前級(jí)電路的參考地

D pin：內(nèi)部MOS開(kāi)關(guān)管的漏極，在電路啟動(dòng)時(shí)通過(guò)該引腳為芯片提供內(nèi)部偏置電流，電路穩(wěn)定后偏置電流由Control引腳的Vc提供，同時(shí)作為內(nèi)部電流取樣引腳用，起初級(jí)限流作用。

-48V轉(zhuǎn)5VSTB電路工作原理

下圖2是-48V轉(zhuǎn)5VSTB的電路原理圖，工作原理如下：

-48V上電瞬間，48V高壓(BGND相對(duì)-48V而言)通過(guò)D引腳為TOP414G芯片提供工作必須的內(nèi)部偏置電流，使芯片內(nèi)部的控制電路開(kāi)始工作，驅(qū)動(dòng)內(nèi)部高壓MOS管開(kāi)始其第一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，變壓器次級(jí)開(kāi)始有電壓輸出，此時(shí)由48V高壓提供的偏置電流源斷開(kāi)。在TOP414G內(nèi)部高壓MOS管導(dǎo)通期間，維持芯片持續(xù)工作所需的偏置電流由C20(代指C腳所有外接電容)的儲(chǔ)能提供;在MOS開(kāi)關(guān)管截止期間，該偏流則由反激變壓器T1的偏置繞組產(chǎn)生的偏壓經(jīng)D3整流后提供，同時(shí)對(duì)電容C20充電，為下一個(gè)周期做準(zhǔn)備，保證電路持續(xù)輸出。

圖3是取樣反饋電路，由光耦U2、三端并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431及取樣電阻網(wǎng)絡(luò)組成，電路最終的輸出電壓由下式?jīng)Q定：

Vo=Vref*[1+R7 / (R8//R9)]

當(dāng)輸出電壓Vo增加時(shí)，Vref增加，導(dǎo)致通過(guò)TL431的陰極、陽(yáng)極之間的電流增大，即通過(guò)光電耦合器U2初級(jí)的電流增大，使反饋到 TOP414G的C腳的電流增加，芯片內(nèi)部控制電路便降低其內(nèi)部MOS管的占空比，從而使輸出電壓Vo降低，起到穩(wěn)壓的作用。同理，當(dāng)輸出電壓Vo降低時(shí)，TOP414G則提高M(jìn)OS管的占空比，起到穩(wěn)定輸出電壓的作用。

圖2中C1、C2、C3電容網(wǎng)絡(luò)起電源前端濾波作用，保證輸入電源(-48V)的純凈。R1、D1和C4組成前級(jí)鉗位電路，抑制電路中因高 dv/dt、di/dt產(chǎn)生的尖峰，降低單板的EMC影響。因?yàn)楦行?容性)器件自身的電流(電壓)不能突變，當(dāng)U1內(nèi)部的MOS管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂沟乃查g，如果沒(méi)有R1、D1和C4組成的鉗位電路，變壓器T1初級(jí)的大電流沒(méi)有瀉放回路，將產(chǎn)生很高的電壓尖峰，可能為正常工作時(shí)的幾倍，嚴(yán)重的話會(huì)擊穿U1 內(nèi)部的MOS管從而損壞U1，有了鉗位電路后，MOS管斷開(kāi)的瞬間，T1初級(jí)的高壓將通過(guò)D1對(duì)C4充電構(gòu)成瀉放回路，在MOS管下次導(dǎo)通之前，C4上的電荷則可通過(guò)R1瀉放掉，因此可以達(dá)到抑制尖峰，降低單板的EMC影響的作用。圖3中電感L1和電容C7/C8/C9/C11/C12/C13構(gòu)成pi型輸出濾波器，濾除輸出電壓的高頻噪聲，降低紋波，同時(shí)在U1關(guān)斷的時(shí)候起續(xù)流作用，為負(fù)載提供輸出電壓。其中C13一般選用容量小的陶瓷電容，濾除剩下的高頻噪聲。R7、R8、R9是取樣電阻，和U2、U3一起構(gòu)成取樣反饋網(wǎng)絡(luò)。 5VSTB使能控制電路工作原理

下圖為-48V轉(zhuǎn)5VSTB使能控制部分電路，工作原理為：當(dāng)JOIN_EN與BGND連接時(shí)，R10和R11分壓使三極管Q1的Vbe大于其閥值電壓，此時(shí)Q1導(dǎo)通，將圖6中B點(diǎn)電位拉低，三極管Q2截至，U1正常工作，-48V轉(zhuǎn)5VSTB電路正常輸出;當(dāng)JOIN_EN懸空時(shí)，三極管Q1截至，R12、R13分壓使B點(diǎn)電位高于三極管Q2的閥值電壓，Q2導(dǎo)通，將U1的控制管腳C強(qiáng)制拉低，U1停止工作，-48V轉(zhuǎn)5VSTB無(wú)電壓輸出。

結(jié)束語(yǔ)

該-48V轉(zhuǎn)5VSTBY電路經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間多塊單板使用證明，電源設(shè)計(jì)合理，工作可靠，性價(jià)比高，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和廣闊的前景。TOP414集電壓型PWM控制器與N溝道功率MOSFET于一體，集成了120kHz振蕩器、高壓起動(dòng)偏置電路、溫度補(bǔ)償、并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器和故障保護(hù)等電路。 TOP414的內(nèi)部起動(dòng)和電流限制電路減少了直流損耗，CMOS控制器/柵極驅(qū)動(dòng)器僅消耗7mW的功率，70%的最大占空比使導(dǎo)通損耗最小化，低容量 MOSFET有效地降低了開(kāi)關(guān)損耗，從而使其在回掃拓?fù)鋺?yīng)用中的效率在80%以上。它具有管腳數(shù)量少，外圍電路簡(jiǎn)單，安裝與調(diào)試簡(jiǎn)便，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電信設(shè)備供電的功能，對(duì)電信設(shè)備的整體性能提高大有益處。