從USB如何獲得高效的雙軌電源？

設(shè)計5V以外電源的小功率USB電路時，您必須確定是使用獨立電池，還是使用來自主機(jī)的小型電源。如果電路需要大于5V的雙軌電源(如采用了基于運放的儀表放大器)，或必須用于便攜計算機(jī)如筆記本電腦上，則問題就更復(fù)雜了。

USB2.0標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了對連接設(shè)備的功率要求，即耗電最大100mA，視為小功率;耗電最大500mA，則視為大功率。本文所述電路原用于一個熱致發(fā)光(TL)儀器設(shè)計，設(shè)計中的微控制器、USB接口控制器，以及10個運放均作為小功率器件，從一個USB端口獲得全部電源。

設(shè)備的運行需要有高性能、低噪聲拾取，使系統(tǒng)射頻輻射盡可能低。在搭建電路以前，做過仿真與驗證，然后用于TL系統(tǒng)。本設(shè)計的吸引力在于，由于它采用的是常見元器件，提高了可重復(fù)性，同時降低了成本。

電路運行原理基于反激概念(圖1)，運行期間，一只小型變壓器受一只脈沖調(diào)制555非穩(wěn)電路的驅(qū)動，工作頻率在115kHz~300kHz。高工作頻率可以使電路的整體尺寸較小，同時提供相對較高的功率輸出以及良好的調(diào)節(jié)性，使輸出濾波更容易做到低紋波。

實際電路中用一只MOSFET來實現(xiàn)開關(guān)。圖1中，二極管對正的VOUT表現(xiàn)為正偏。將二極管和一個變壓器繞組極性反向，就獲得一個負(fù)的VOUT。電路工作在三個不同的相位。在相位一，開關(guān)閉合，因電流流過變壓器初級，能量以磁場形式存儲起來。二極管反偏，次級沒有電流流過。

在相位二，開關(guān)打開，二極管變成正偏，能量從磁場傳送給電容C。在相位三，能量的轉(zhuǎn)儲完成，在開關(guān)漏源電容中存儲的任何剩余電荷都被完全釋放。然后重復(fù)這個循環(huán)。

為更好地解釋電路的工作原理，比較簡單的辦法是假定恰在時間t=0以前，濾波器電容已經(jīng)放電到標(biāo)稱輸出電壓，而通過變壓器初級線圈的電流為零。t=0時，開關(guān)閉合，電流開始流經(jīng)初級線圈。這樣就會在次級線圈上產(chǎn)生一個電壓，極性如圖1所示。由于二極管是反偏，因此沒有次級電流流過，次級線圈相當(dāng)于開路。變壓器初級端的作用就好比一個簡易裝的電感器。初級電流呈線性增加，公式如下：

在開關(guān)閉合期間，次級線圈上的感應(yīng)電壓為nVCC。因此，二極管必須承受的最小反偏電壓為(nVCC+VOUT)。過了既定時間后，開關(guān)打開。在實際電路中，這相當(dāng)于MOSFET被關(guān)閉。假設(shè)初級線圈中的電流在該時刻為IPK，則電感器中存儲的磁場能量就等于:

由于初級線圈與次級線圈之間的磁通量，當(dāng)初級電路開路時，電感器中存儲的但正在崩潰的磁場在次級端中感應(yīng)出了足夠高的電壓(>VOUT)，使二極管正偏。電流的初始值為I2=IPK/n。在二極管正偏期間，次級線圈上的電壓將為(VOUT+0.7)。這也可以看作初級端電壓向下變換為VOUT/n。因此，當(dāng)開關(guān)打開時，它必須承受的實際電壓是:

這個公式強(qiáng)調(diào)了反激轉(zhuǎn)換器相對于有相當(dāng)輸入輸出電壓的升壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢，即當(dāng)開關(guān)打開時，降低了它必須承受的電壓。事實上，“關(guān)斷”周期的電壓降低到一個值，該值由變壓器線圈匝數(shù)比確定。這樣就可以使用較低擊穿電壓的MOSFET。另外，在升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲校O管必須同時承受“開啟”時的高電流，以及“關(guān)斷”時的高反向電壓。而在反激轉(zhuǎn)換器中，次級端的二極管在電流較低時(IPK/n)，需要承受高電壓。這樣就允許使用較小電容的二極管，從而獲得較快的開關(guān)速度，因而減少了能耗，提高了效率。

雖然這超出了我們的電流范圍，您仍可以計算輸出電壓，方法是讓L1中的能量輸入量等于傳送給負(fù)載RLOAD的能量。穩(wěn)態(tài)時，輸出與開關(guān)的占空比D以及開關(guān)工作的頻率有關(guān)，即開路輸出電壓公式為：

在圖2的實際電路中，可以找到圖1基礎(chǔ)反激電路的所有元件。不過，這里做了一些微調(diào)，以實現(xiàn)更好的運行穩(wěn)定性。例如，配置兩只輸出二極管，這樣就可以獲得雙軌輸出。另外，正電壓軌反饋由R4和R5構(gòu)成的分壓器采樣，其電平由電容C2做平順。普通的555非穩(wěn)態(tài)工作時也可能產(chǎn)生輸出波形，這是由于時序電容(C1)通過R1和R2的和，從VCC充電，并通過R2放電。在所使用的電阻值(即R2>>R1)下，占空比接近50%。充電/放電電壓被內(nèi)部設(shè)定為VCC/3和2VCC/3(即，如果在5V下運行，則分別為1.67V和3.33V)。沒有反饋時，圖2中給出的開環(huán)輸出電壓約為20V。

反饋工作原理如下：晶體管Q1關(guān)斷，直到其基極電壓(VBE)約為0.55V。這樣，輸出電壓可依照以下公式計算:

由于反激的作用，輸出電壓持續(xù)升高，Q1被驅(qū)動得更厲害，使其集電極電壓下降。由于集電極連接到555定時器的控制輸入端，其標(biāo)稱的上限約為(2VCC/3)，于是使電容以相同的速率充放電，但處于一個狹窄的電壓區(qū)間。其效果是，同時減小了用于驅(qū)動MOSFET開關(guān)的輸出脈沖的開關(guān)次數(shù)。頻率與占空比(D)上的凈變動使VOUT下降，最終降低了反饋電壓，也減少了Q1的“導(dǎo)通”時間。

電路需謹(jǐn)慎設(shè)置的其中一項是反激變壓器。經(jīng)過測試，多款自制變壓器的工作性能良好。最終確定的方案是重新使用一個RFI抑制電感的磁芯，它主要出現(xiàn)在電視機(jī)開關(guān)電源的電源輸入端。變壓器初級采用多股繞線，以減少串聯(lián)電阻。例如，使用四股0.3mm絕緣銅線，緊密纏繞七匝，所得初級電感為30μH，測得電阻為0.03Ω。較低的線圈電阻減少了電感器在開關(guān)時產(chǎn)生的焦耳熱，從而達(dá)到更高的效率。RS-Electronics(RS庫存號647-9446，由Epcos生產(chǎn))現(xiàn)有一款適用的、市場上可以買到的鐵氧體磁芯和繞線骨架套件。