高壓負(fù)電源的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

高壓負(fù)電源的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

SLIC是一個(gè)可以構(gòu)成模擬電話接口,具有摘機(jī)/掛機(jī)信號(hào)傳送、鈴聲產(chǎn)生、鈴流檢測(cè)等功能,在傳送摘機(jī)信號(hào)時(shí)需要-24V電壓,而在產(chǎn)生鈴聲信號(hào)時(shí),只需要-72V電壓,對(duì)于IP電話或路由器,SLIC一般需要-48V電壓,而對(duì)于xDSL線路驅(qū)動(dòng)需要-5V和-15V電壓,無線公用電話可能需要-24V和-48V電壓,所有這些應(yīng)用電源設(shè)計(jì)均可以使用MAC1856同步PWM控制器得到一個(gè)低成本的設(shè)計(jì)方案。

2 MAX1856的工作原理和特點(diǎn)

MAX1856內(nèi)含低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）,內(nèi)部所有電路均由內(nèi)置穩(wěn)壓器供電,最大輸入電壓可達(dá)28V,內(nèi)部穩(wěn)壓器最小壓差為200mV,只要LDO輸出電壓高于2.7V,內(nèi)部電路就可以工作,所以MAX1856的最小輸入電壓為3V,LDO最大輸出電流為12mA,如果外部FET的柵極驅(qū)動(dòng)電流較小,則LDO也要用于其它電路供電。MAX1856內(nèi)含電流模式PWM控制器,因此使用反激控制結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)的高壓電源非常理想,其內(nèi)部多輸入比較器可以同時(shí)處理輸出誤差信號(hào)、電流檢測(cè)信號(hào)以及斜率被償信號(hào)。在PWM模式時(shí),MAX1856使用固定開關(guān)頻率,在輕負(fù)載時(shí),MAX1856進(jìn)入空閑模式以提供更高的效率。

MAX1856具有內(nèi)部軟啟動(dòng)特性,因而可以防止過流,并允許選用較小的輸入電容。MAX1856的工作頻率可以設(shè)置在100kHz到500kHz之間,對(duì)于低噪聲應(yīng)用,也可以采用外部時(shí)鐘同步工作模式。

3 SLIC電源設(shè)計(jì)

圖1是為SLIC設(shè)計(jì)的電源電路,它的輸入電壓為12V,其中一路輸出-24V/400mA,另外一路為-72V/100mA,通過改變外部分壓電阻可對(duì)兩路輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.1 設(shè)置工作頻率和輸出電壓

MAX1856的工作頻率由管腳FREQ對(duì)地之間的電阻ROSC來決定,ROSC一般為50MΩ/fosc,如果選擇250kHz的工作頻率,則ROSC=200kΩ。工作頻率越高,ROSC可以越小,這樣,峰值電流和電阻損耗也會(huì)越少,但同時(shí)會(huì)增大開關(guān)損耗、磁芯損耗,并將使柵極驅(qū)動(dòng)電流增大。

FB管腳在輸出端和REF引腳之間的分壓電阻決定輸出電壓的大小。Vout=VREF R1/R3.對(duì)于雙輸出電壓分別調(diào)整的情況,由于反饋電壓門限為0,流入FB引腳的總電流是ITOTAL=IR1+IR2=VREF/R3。因?yàn)榉答侂娮柽B接到REF,所以ITOTAL必須小于400μA,選擇R3可使得ITOTAL位于200μA和250μA之間,一般可選R3為5.11kΩ。為了保證兩個(gè)輸出的精度相同,應(yīng)使IR1/IR2=Pout1/Pout2,其中Pout1和Pout2分別為24V/400mA和72V/100mA。這樣,可使IR1=4IR2/3。從上面的式子求得IR1和IR2后,R1和R2位于由下式求得：R1=Vout1/IR1=174kΩ,R2=Vout2/IR2=68kΩ。

3.2 選擇變壓器和MOSFET

變壓器匝數(shù)比是輸入輸出電壓比和占空比的函數(shù),在占空比為50%,輸入為12V,輸出為-72時(shí),需要有1：6的匝數(shù)比,在輸出為-24V時(shí),匝數(shù)比Np:Ns為1：2,所以變壓器的匝數(shù)比是1：2：2：2。

整個(gè)電路的最大輸出功率為最大輸入功率與轉(zhuǎn)換效率（E）的乘積。而轉(zhuǎn)換效率（E）則是電阻損耗、變壓器損耗、MOSFET導(dǎo)通電阻損耗、輸入輸出電容以及開關(guān)損耗的函數(shù),一般可以假設(shè)R的典型值為80%。而最大輸入功率是檢流電阻、輸入電壓、輸出電壓、電感值、變壓器匝數(shù)比（Np:Ns）和開關(guān)工作頻率的函數(shù)。具體的計(jì)算公式可參考以下各式：

PIN(MAX)=VIND(Vcs/Pcs-VIND/(2FoscL)

D=NpVOUT/(NpVOUT+NsVIN)

在最大負(fù)載電流時(shí),其IIN=VOUTIOUT(MAX)/VIN(MIN)E。式中,E是轉(zhuǎn)換效率,選80%,VOUT=24V IOUT(MAX)=400mA,VIN（MIN）=10.8V,這個(gè)平均輸入電流為1.11A,對(duì)于52.5%的占空比,平均開關(guān)電流就是2.114A,選擇初級(jí)電感波動(dòng)電流△Ilo 40%,則初級(jí)電感為：

Lp=VIND/(△ILfOSC)

其中△IL=0.4×2.114=0.846A,fOSC=250kHz,所以Lp=27μH時(shí),初級(jí)峰值電流為2.5A。

由于受MAX1856內(nèi)部LDO輸出最大值（5V）的限制,外部功率開關(guān)需選擇邏輯電平驅(qū)動(dòng)的N溝道NOSFET,在輸入電壓低于5V時(shí),可選擇VGS為2.7V或更低的N溝道MOSFET。另外還需考慮其它特性指標(biāo),如：柵極電荷QG、導(dǎo)通電阻RDS、最大漏源電壓VDS和最小門限電壓VTH。對(duì)于IR公司的IRLL2705,其QG為17nC(VGS=5V),所以柵極驅(qū)動(dòng)電流為：

IGATE=Qgfosc=8.5mA

式中：fosc為500kHz

3.3 選擇檢流電阻以及輸入輸出電容和二極管

電感峰值電流確定后,檢流電阻由下式確定。

Rcs=Vcs/ILPEAK=85mV/ILPEAK=33mΩ

為了避免電流檢測(cè)比較器受噪聲干擾,RCS和CS管腳之間應(yīng)連接100Ω電阻、CS引腳與GND之間應(yīng)接1000pF的濾波電容。

整流二極管應(yīng)選用高速、快恢復(fù)肖特基二極管,平均電流應(yīng)滿足以下要求：

ID=IOUT（1+VOUT Np/(Ns VIN)）+△IL Np/(2Ns)

同時(shí)關(guān)斷電壓要大于VOUT。

輸入輸出電容的串聯(lián)等效電阻（ESR）應(yīng)比較低。

3.4 消振電路設(shè)計(jì)

MAX1856可利用電流感應(yīng)電阻來實(shí)現(xiàn)電流模式的控制,當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí),MAX1856有100ns的浮空周期來減少噪聲干擾。然后此時(shí)次級(jí)電感和輸出二極管電容將形成振蕩電路,并將反射回原邊加到電流檢測(cè)電阻上,其時(shí)間會(huì)超出100ns,從而導(dǎo)致噪聲干擾。圖1中R4和C3可以快速消振,消振電路的時(shí)間常數(shù)必須小于100ns,R4應(yīng)滿足50ns/C3。

4 無線終端的電源設(shè)計(jì)

圖2所示是一種無線公用電話的電源電路,該電路也可以作為無線WLL終端的電源電路。若無線終端的供電電源是12V太陽能電池,則輸出要求第一路為24V/200mA,另一路為-48V/100mA,第三路為5V/500mA。