工程師：一款通過(guò)USB獲取高效雙軌電源的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)5V以外電源的小功率USB電路時(shí)，必須確定是使用獨(dú)立電池，還是使用來(lái)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(yùn)放的儀表放大器)，或必須用于便攜計(jì)算機(jī)如筆記本電腦上，則問(wèn)題就更復(fù)雜了。

USB2.0標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了對(duì)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(gè)熱致發(fā)光(TL)儀器設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中的微控制器、USB接口控制器，以及10個(gè)運(yùn)放均作為小功率器件，從一個(gè)USB端口獲得全部電源。

設(shè)備的運(yùn)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(guò)仿真與驗(yàn)證，然后用于TL系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的吸引力在于，由于它采用的是常見(jiàn)元器件，提高了可重復(fù)性，同時(shí)降低了成本。

圖1

電路運(yùn)行原理基于反激概念(圖1)，運(yùn)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(dòng)，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(shí)提供相對(duì)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(shí)際電路中用一只MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)。圖1中，二極管對(duì)正的VOUT表現(xiàn)為正偏。將二極管和一個(gè)變壓器繞組極性反向，就獲得一個(gè)負(fù)的VOUT。電路工作在三個(gè)不同的相位。在相位一，開(kāi)關(guān)閉合，因電流流過(guò)變壓器初級(jí)，能量以磁場(chǎng)形式存儲(chǔ)起來(lái)。二極管反偏，次級(jí)沒(méi)有電流流過(guò)。

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

為更好地解釋電路的工作原理，比較簡(jiǎn)單的辦法是假定恰在時(shí)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(guò)變壓器初級(jí)線圈的電流為零。t=0 時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合，電流開(kāi)始流經(jīng)初級(jí)線圈。這樣就會(huì)在次級(jí)線圈上產(chǎn)生一個(gè)電壓，極性如圖1所示。由于二極管是反偏，因此沒(méi)有次級(jí)電流流過(guò)，次級(jí)線圈相當(dāng)于開(kāi)路。變壓器初級(jí)端的作用就好比一個(gè)簡(jiǎn)易裝的電感器。初級(jí)電流呈線性增加，公式如下：

在開(kāi)關(guān)閉合期間，次級(jí)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(guò)了既定時(shí)間后，開(kāi)關(guān)打開(kāi)。在實(shí)際電路中，這相當(dāng)于MOSFET被關(guān)閉。假設(shè)初級(jí)線圈中的電流在該時(shí)刻為IPK，則電感器中存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能量就等于：

由于初級(jí)線圈與次級(jí)線圈之間的磁通量，當(dāng)初級(jí)電路開(kāi)路時(shí)，電感器中存儲(chǔ)的但正在崩潰的磁場(chǎng)在次級(jí)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(jí)線圈上的電壓將為(VOUT+0.7)。這也可以看作初級(jí)端電壓向下變換為VOUT/n。因此，當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，它必須承受的實(shí)際電壓是：

這個(gè)公式強(qiáng)調(diào)了反激轉(zhuǎn)換器相對(duì)于有相當(dāng)輸入輸出電壓的升壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)，即當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，降低了它必須承受的電壓。事實(shí)上，“關(guān)斷”周期的電壓降低到一個(gè)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?，二極管必須同時(shí)承受“開(kāi)啟”時(shí)的高電流，以及“關(guān)斷”時(shí)的高反向電壓。而在反激轉(zhuǎn)換器中，次級(jí)端的二極管在電流較低時(shí)(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(kāi)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，仍可以計(jì)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(shí)，輸出與開(kāi)關(guān)的占空比D以及開(kāi)關(guān)工作的頻率有關(guān)，即開(kāi)路輸出電壓公式為：

在圖2的實(shí)際電路中，可以找到圖1基礎(chǔ)反激電路的所有元件。不過(guò)，這里做了一些微調(diào)，以實(shí)現(xiàn)更好的運(yùn)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(shí)也可能產(chǎn)生輸出波形，這是由于時(shí)序電容(C1)通過(guò)R1和R2的和，從VCC充電，并通過(guò)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(yùn)行，則分別為1.67V和3.33V)。沒(méi)有反饋時(shí)，圖2中給出的開(kāi)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(jì)算：

由于反激的作用，輸出電壓持續(xù)升高，Q1被驅(qū)動(dòng)得更厲害，使其集電極電壓下降。由于集電極連接到555定時(shí)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(gè)狹窄的電壓區(qū)間。其效果是，同時(shí)減小了用于驅(qū)動(dòng)MOSFET開(kāi)關(guān)的輸出脈沖的開(kāi)關(guān)次數(shù)。頻率與占空比(D)上的凈變動(dòng)使VOUT下降，最終降低了反饋電壓，也減少了Q1的“導(dǎo)通”時(shí)間。

電路需謹(jǐn)慎設(shè)置的其中一項(xiàng)是反激變壓器。經(jīng)過(guò)測(cè)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(gè)RFI抑制電感的磁芯，它主要出現(xiàn)在電視機(jī)開(kāi)關(guān)電源的電源輸入端。變壓器初級(jí)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(jí)電感為30μH，測(cè)得電阻為0.03Ω。較低的線圈電阻減少了電感器在開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱，從而達(dá)到更高的效率。RS-Electronics(RS庫(kù)存號(hào)647-9446，由Epcos生產(chǎn))現(xiàn)有一款適用的、市場(chǎng)上可以買(mǎi)到的鐵氧體磁芯和繞線骨架套件。

進(jìn)一步的優(yōu)化做法是，D1和D2采用大電流、高速、低正向壓降的肖特基二極管。在MOSFET的柵極另加一只反偏二極管，以減少RFI。5VUSB線上加一個(gè)100mH扼流圈，也進(jìn)一步降低了開(kāi)關(guān)噪聲。

圖3 顯示了轉(zhuǎn)換器的上電瞬態(tài)響應(yīng)

鑒于我們?cè)O(shè)計(jì)的目的，USB端口被作為一個(gè)5V電源，串接了一個(gè)10Ω電阻，以防最差情況下的500mA電流。100μF的去耦電容C5用于防止在電源軌中產(chǎn)生開(kāi)關(guān)噪聲。在負(fù)載為50Ω時(shí)，測(cè)得的輸出效率大約為72%，輸出電壓跌至±7.6V。輸出也成功地連接到78L05等線性穩(wěn)壓器以獲得其它電壓。在設(shè)計(jì)方面，可以進(jìn)一步優(yōu)化之處是用軟件控制輸出的切換。這里我們不做細(xì)述，但用一個(gè)獨(dú)立的有源晶體管調(diào)節(jié)555的開(kāi)或關(guān)的方法可以實(shí)現(xiàn)待機(jī)或激活操作。