一种高效微功耗DC_DC隔离电源_龚新林

DC( 低)
DC( 高) 高频变换 开关元件
整流 滤波
高频变 输出整 换隔离 流滤波
控制逻辑
图1 隔离式开关电源方框图
2 DC-DC 转换电路
图 2 LT 1173 原理及 DC-D C 电路 压上 升, 取 样电 压高 于基 准电 压时, 比 较器 输出 低电
平, 关闭振荡器, 输出晶体管关闭。输出电压下降, 整个 系统达到 平衡时, 输出电压 保持恒 定。电路输 出电压
关键词: 开关电源 高频变换隔离
开 关电 源因 其具 有体 积 小、重量 轻、效 率
高、对电压变 化大的场 合适应 性强的 优点而 越
来越受到广泛应用。但普通 DC-DC 电源 不具隔 离功 能, 电路 通过电源 内阻抗 的偶合 形成共 模
干扰。对于低电压小电流输出的开关电源, 要求 输出效率很高, 对电感、电容和二极管必须严 格
一种高效微功耗 DC-DC 隔离电源
合肥工业大学电子信息工程研究所( 230009) 龚新林 陆 阳 韩江洪
摘 要: 介绍一种 DC-DC 隔离电源的设计, 论述了开关型电路的工作原理及高频转换隔离 方法, 并介绍了部分参数计算公式及元件选择。高效微功耗 DC-DC 隔离电源可广泛应用于对电 源的体积、效率及隔离有要求的便携式仪器仪表和测控系统中。
图 4 铝、钽、聚丙烯电容滤波
N=
U P1·T ON 2·B m·A C
×10-
2
U P1 ——初极输入电压幅值( V )
B m ——磁感应强度( T )
T on ——输入脉冲电压宽度( s)
A c—— 磁芯截面积( cm2)
因电路工 作频率较 高, 整流 二极管 用肖特 基二极
管, 其正向压降低( 0. 5V ) , 快速恢复, 漏电 流小。
降为零, 此临界电感值为 L C。由电 荷守恒定律得:
∫ ∫ ∫ t2
t2
t2
i Ld t = icd t + I0d t
0
0
0
∫ ∫ ∫ ∵
t2
i Cd t =
0 ∴
t2
iLd t =
t2
I0d t = I 0T
0
0
0
∫ ∫ ∫ 又有:
t2
iLd t =
t2
i Lond t +
t2
i Lof f dt
选择。
1 电路实现基本原理
开关电源的核心是高频电源变换电 路和控
制逻辑电路。高频变换电路把直流输入变换 成 高频脉冲输出。输出电压平均值 Uo = T on / ( T off + T on) ×Uin, 控制逻辑 电路根 据反馈电压控制高 频开 关 管 的导通时 间( T on ) 与截止 时间( T off ) , 达到 控制 输 出电压目的。隔离电路采用高频变换元件 M A X845 和 高频隔离变压器, 实际电路方框图为:
图 5 M A X 845 原理及 D C-DC 隔离 ( 下转第 36 页)
《电子技术应用》1998 年第 11 期 四通工控 A-B 软起动器经销商 62626144 62626145 31
初始化 测量 1 计算功率因数
图 3 A T 89C2051 单片机实现算法的电路 成功率因数的显示功能。共有 3 位显示位, 二位显示小 数部分。 AT 89C2051 的 P 1. 0-P 1. 7 作为控制输出, 经过功 率驱动, 作为切换补偿电容接触器 的控制信号。
由于电源输出电流小( 100mA 以内) , 设计中必须
电流为 1～5 A 。
3 DC-DC 隔离
图 5 中 方 框 内 为 M A X845
的原理方框图。M A X 845 由一个
振 荡 器和 触 发 器产 生 占 空 比为
50% 的方 波。两 个 N 通 道 开关 管, 内部 电路 保证两 开关 管不同 时导通。变压器选择用推挽式, 这
UOUT = 1. 245( 1+ R 2/ R 1) V 。
图 2 所示 为脉 冲 宽度 频率 混合 调制 型电 路。当 LT 1173 内 晶体管 导通时, 电流 I 流过 电感 L , 对 负载 供电, 此时二极管 1N 5818 处于反向偏置。当晶体管开 关截 止时, 电感 L 上 的电 压极性 发生 颠倒, 二极 管处 于正向偏置。由于电感上 的电流不能突变, 此电流继续 向负载供电, 而负载两端的输出电 压的极性保持不变, 所以二极管又 称为续流二极管。 限流电阻 R 3 限制最 大开关电流。 2. 2 电感电容设计考虑
荡信号, 输出晶体管打开。 电 源对 负载 供电, 输 出电
图 3 电感、电容上电压电流波形
30 四通电脑应用 美国德州工控机 62577230 62577231 《电子技术应用》1998 年第 11 期
当 电 感 L 值 不 足时, 在开 关 管截 止 期间 某 一 时
刻, 电磁 能量 已释放 完毕, 电 感 L 上的电 压及 电流 遂
断开若干组电容
= 常数 合上若干组电容
图4 软件控制流程图
减 小 电 路 功 耗。 若 用 M C34063 代 替 LT 1173, M C34063 属 脉冲宽 度调 制( P WM ) 型电 路, 受开 关器 件和内部控制电路 限制, 其功 耗比 L T 1173 大, 效率低
30% 。由上设计的开关 电源效率 达 80% 以上, 线性调 整率±0. 12% ( V in = 10～25V , I o= 100mA ) , 输 出波纹 40m Vp- p, 整个电源体积可以做到很小。
很重要。 在 0≤t ≤t1 时, iC on= iLon- I o
∴iC on=
U
iL
UO
t-
U
i
-U 2L
O
T
o
n
在 t1≤t ≤t 2 时,
iC of f =
(
I
LmanT of
IL
f
mi n )
(
T
-
T of 2
f
)
-
( I Lman- I Lmin) T of f
t
当
t1 2
≤t ≤t1+
∫ ∴
t2
iLd t =
0
1 2
( I Lmax+
I Lmin) T ∴I 0=
1 2
( IL max +
I Lmin)
当 L = L C 时, I Lmin= 0, I0=
1 2 ILmax
∴2I 0-
U0 LC
T
o
f
f
=
0∴L C=
U0Tof f 2I 0
当选择电感时, 必须 L > L C。
为提高电源效率, 减小输出纹波电压, 电容选 择也
plicat ions. 1996
4 LT 1173 M icropow er DC/ D C Converter A djus t abl e and
Fixed 5V 12V . 1996
( 收稿日期: 1998-05-04)
36 四通电脑应用 美国德州工控机 62577230 62577231 《电子技术应用》1998 年第 11 期
参考文献
1 胡存生, 胡鹏 . 集成开关电源的设计制作调试与维修 . 北
京: 人民邮电出版社, 1996, 4
2 晶体管开关稳压电源 . 北京: 人民邮电出版社, 1985 3 M A X IM . Is ol at ed T ran sf ormer Driver f or PCM CIA A p-
t]
d
t=
( U in- U 0) T onT 8L C
∴C=
( U in- U 0) T onT 8L Up - p
Up - p 为波纹峰-峰值。
普通铝电解电容等效串联电阻 ESR , 等效串联电感
ESL 较大, 钽电容和聚丙烯电容性能较好, 图 4 分别是
100 F 的铝、钽和聚丙烯电容滤波效果图。
0
0
t1
iL on=
U
iL
U
0t+
I L0; I L0为
t=
0 时, 电感上起始电流
I Lmax =
UiL
U0 T o n+
IL 0; T
on为一个 周期内, 晶体管导 通
时间
iL of f =
I Lmax-
U0 L
(
t-
t1)
I Lmin=
I Lman-
U0 L
To
f
f
;
T
of
f
为一个周期内,
晶体管截止时间
在微功耗电路中必须考虑电容的漏电流, 聚丙烯电容
的漏电流为 5～ 10 A , 钽电容的漏
样高频 变压器 的 B-H 磁 滞回 线正负 半周 都可以 得到 利用, 变压器工作频率很 高( 500kHz) 因此磁 芯体积可 以很小。磁芯选用 T DK 公司的 EPC10-Z 型铁氧体磁 芯, 初级绕组匝数计算公式:
2. 1 L T 1173 的工作 原理及 DC-DC 转换
图 2 中方框内为 L T 1173 的 原理 图。 比较 器的同相输入端接+ 1.
245V 基准电压源, 比较器 反 相端 输入 采样 结果, 并
与 基准 电压 比较, 若 取样 电 压低 于基 准电 压, 则比
较 器输 出高 电平, 打 开振 荡 器, 驱动 放大 器驱 动振
计算电源电流I
计算补偿电容值 C= I( K1 - K2 )Fra bibliotek参考文献
1 李翰荪 . 电路分析基础 . 北京: 人民教育出版社, 1978