摘要：与传统的开关电源比较，特种集成开关电源具有电路新颖、功用独特、功用先进、应用范畴较为广泛等特色。具体介绍了两种新式特种单片开关电源模块的电路规划，一种是2.5W恒压/恒流式充电器模块，另一种是带以太网接口的15WDC/DC电源变换器模块。 关键词：单片开关电源;模块;恒压/恒流;以太网电源;同步整流 导言 特种集成开关电源首要包括以下5品种型[1]： 1)复合型开关电源; 2)恒压/恒流(CV/CC)型开关电源; 3)截流输出型开关电源; 4)恒功率输出型开关电源; 5)其他专用开关电源，例如高速调制解调器(HighSpeedModem)电源、DVD电源等。 图1 特种单片开关电源有两种规划方案：第一种是选用通用单片开关电源集成电路(例如TOPSwitch-Ⅱ、TOPSwitch-FX、 TOPSwitch-GX等系列)，再配上电压操控环、电流操控环等外围电路规划而成的，其特色是输出功率较大，但外围电路杂乱;第二种是选用最近面世的 LinkSwitch系列高功率恒压/恒流式三端单片开关电源芯片，或选用LinkSwitch-TN系列、DPA-Switch系列单片开关电源专用 IC[2]，这样可大大简化电路，下降本钱，合适构成中、小功率的特种开关电源。 1 2.5W恒压/恒流式充电器模块 下面介绍一种由LNK500构成的2.5W恒压/恒流式充电器模块。它适用于手机电池充电器、个人数字助理(PDA，即Personal Digital Assistant)、便携式音频设备、电动剃须刀、家用电器的内置电源(如彩电的备用电源、偏置电源)等范畴。 1.1 功用特色和技能目标 1)选用高功率恒压/恒流式单片开关电源LNK500，沟通输入电压规模是85～265V，当沟通输入电压为265V时，漏电流5μA，额外输出电压为5.5V，最大输出电流为0.45A，输出功率为2.5W。 2)低功耗，高功率，空载功耗0.3W，电源功率的典型值η≈68%。 3)在峰值功率点，答应输出电压有%26;#177;10%的差错，当初级电感量Lp的差错为%26;#177;10%时，输出电流有%26;#177;25%的差错。 4)电路简略，价格低廉，该电源仅需23个元器件，不需求次级反应电路，用初级电路即可完结恒流/恒压输出，答应选用低价格、小尺度的EE13型磁芯。 5)具有过热维护、输出短路维护及开环维护功用。 6)契合电磁兼容性国际标准CISPR22B/EN55022B。
1.2 2.5W恒压/恒流式充电器模块的电路规划 由LNK500构成2.5W恒压/恒流式充电器模块的内部电路如图1所示。FR为可自恢复熔断电阻器，它具有限流维护效果并能约束上电时的冲击电流。由VD1～VD4构成桥式整流，由电感L1、L2和电容C1、 C2组成低功耗π型滤波器，能滤除电磁搅扰。L2可选用3.3μH的磁珠。在LNK500内部功率MOSFET导通时，输出整流管VD6截止，此刻电能就储存在高频变压器中。当功率MOSFET关断时，VD6导通，储存在高频变压器中的能量就通过次级电路输出。VD6选用1A/100V的肖特基二极管 SB1100，R4和C7并联在VD6两头，能避免VD6在高频开关状态下发生自激振荡。C6为输出端滤波电容。R5为22kΩ的负载电阻。 由R1、C3和VD5构成的RCD型箝位电路具有以下功用： 1)当功率MOSFET关断时，对初级感应电压进行箝位; 2)能简化反应电路的规划。 操控端的反应电流由电阻R2来设定。刚发动电源时由操控端电容C4给LNK500供电，C4还决议了主动重发动频率。 为了下降电磁搅扰，高频变压器的初级规划了两个绕组，别离为NP1及NP2。NP2被称为抵消绕组(cancellation winding)，它通过R3及C5接初级回来端，能下降初级电路中的电磁搅扰。此外，在初、次级之间还需添加屏蔽层。 LNK500只合适在不接连形式下作业，其输出功率由式(1)承认。
式中：PO为输出功率; η为电源功率; LP为高频变压器的初级电感; IP为LNK500的峰值电流; f为开关频率。 不难看出，PO与LP成正比，IP2f的大小则受LNK500操控。 图3 高频变压器选用EE13型磁芯，配8引脚的骨架。初级绕组NP1用φ0.13mm漆包线绕90匝，NP2用φ0.16mm漆包线绕22匝，次级绕组用两股 φ0.25mm的三重绝缘线绕5匝。在初、次级绕组之间用3股φ0.25mm漆包线绕5匝，作为屏蔽层。初级电感量LP=2.3mH(答应有%26;#177;10%的差错)。高频变压器的谐振频率不低于300kHz。 2.5W恒压/恒流式充电器的输出特性如图2所示。 2 带以太网接口的15WDC/DC电源变换器模块 2.1 以太网电源的功用特色 以太网(EthernetNetwork)是现在最常用的一种局域网。以太网电源简称POE(Power Over Ethernet)，它仅通过一根以太网电缆即可一起为用户供给数据和供电电源，不需求再别的布线。以太网电源中的电源设备简称为PD，它具有以下特色： –能供给PD检测与分类信号; –能供给到DC/DC电源变换器的软发动接口; –具有过电流维护、过电压维护、过热维护等功用。 依据POE标准，PD应具有以下3个基本功用。 1)能辨认信号阻抗 当一个输入电压加到PD时，它必须在规则电压规模内出现正确的辨认信号阻抗。当某个以太网设备恳求供电时，首要给以太网宣布2.5～10V的电压信号，有用的PD检测到此电压信号后，就将一个23.75～26.25kΩ的电阻置于供电回路上，电流会随输入电压而改变;通过检测该电流承认在以太网电缆终端有一个有用的以太网设备需求供电。如放置的电阻值在12～23.75kΩ或在26.25～45kΩ规模内，则以为该以太网设备有用但不需求供电。其他规模的电阻值则意味着所检测到的以太网设备无效。
2)类型 PD有不同的类型，每品种型对应于必定的电流。例如，0类PD的电流为0.5～4mA。当PD检测有用信号之后，就对PD进行分类。具体方法是将送到网络链路上的电压升高到15.5～20.5V，使PD取得一个固定的电流，再依据电流规模完结PD分类。 3)开关衔接 衔接以太网电源的开关首要有两种，一种是双极型晶体管开关，其电源功率较高，本钱较低;另一种为MOSFET开关，其电源功率极高(可接近于100%)。 下面介绍一种带以太网接口电路的同步整流式15WDC/DC电源变换器模块，可广泛用于网络及通讯设备中。 2.2 15W以太网电源模块的电路规划 由双极型开关管和DPA424P构成15WPOE模块的内部电路如图3所示。该电源由两部分组成，即以太网接口电路(电路顶用虚线框表明)和DC/DC电源变换器。模块中包括POE辨认信号阻抗(24.9kΩ，直流2.5～10V)、0类类型电路(0.5～4mA，直流15～20V)。选用双极型晶体管开关或MOSFET开关时，POE接口的功率别离为η≥87%或η≥97%。 2.2.1 以太网电源接口电路的作业原理 该以太网电源接口电路的作业进程可分为三个阶段：在第一阶段，当输入电压加到PD时，它必须在直流2.5～10V的电压规模内出现正确的辨认信号阻抗，电阻R13(24.9kΩ)可供给这个阻抗;在第二阶段，当直流输入电压为15～20V时，PD用一个规则的电流来辨认设备类型，例如0类电流规模是 0.5mA～4mA，这也由R13来完结;在第三阶段，通过双极型开关管(VT)将输入电压接到DC/DC电源变换器上，该电源变换器答应输入超越 30V(28V+UR14)的直流电压。此刻稳压管VDZ1被反向击穿，通过R14给VT供给基极电流。R15的效果是避免在其他条件下敞开电源。一旦敞开电源，辅佐绕组输出的高频电压信号就通过耦合电容C3、整流管VD2和限流电阻R16来进步VT的直流偏压，使基极电流增大。在负半周时VD1导通，可保证加到基极上的偏压总为正压。 如图4所示为运用MOSFET(V3)的开关电路。VDZ4及VDZ5别离选用28V及15V稳压管。当输入电压超越28V时VDZ4被反向击穿，使V3 导通，将电源敞开。当输入电压超越43V时VDZ5也被反向击穿，能约束V3的栅-源电压，起到维护效果。R15能避免V3被误导通。该以太网电源模块的辨认信号阻抗与输入电压的联系曲线如图5所示，辨认电压规模是2.5～10V。 2.2.2 15WDC/DC电源变换器的作业原理 DC/DC电源变换器的首要功用目标如下： 1)选用DPA424P型单片开关式稳压器，构成正激、阻隔式、3路输出的DC/DC电源变换器模块。直流输入电压规模是36～75V，3路输出别离为 5V/2.4A、7.5V/0.4A和20V/10mA，总输出功率为15.2W，开关频率为400kHz; 2)多路输出，稳压功用好，在最坏的情况下，各路输出的负载调整率目标见表1， 表1 各路输出的负载调整率目标 3路输出电压UO/V 5 7.5 20 负载改变规模/% 20～100 0～100 100 负载调整率SI/% ≤%26;#177;1 -4～+8 -3～+6 3)选用电容耦合式同步整流技能，DC/DC电源变换器的功率高达88%; 4)能准确设定输入线路的欠电压、过电压值; 5)具有输出过载维护、开环维护和过热维护功用。 图3中，输入端EMI滤波器由C1，L1和C2构成。R1为欠电压值/过电压值设定电阻，所设定的UUV=33.3V，UOV=86.0V。R1还能主动减小最大占空比，避免磁饱满。R2为极限电流设定电阻，取R2=13.3kΩ时，所设定的漏极极限电流ILIMIT′ =0.57ILIMIT=0.57%26;#215;2.50A=1.425A。稳压管VDZ2可将漏极电压箝位在安全规模以内。V1的等效栅极电容能给高频变压器供给最佳复位。 该电源以5V输出作为主输出，其他两路输出都是在此基础上取得的。由C11，R11，R12和MOS场效应管V2及V1构成5V主输出的%&&&&&%耦合式同步整流器。稳压管VDZ3起箝位效果。在没有开关信号时，通过下拉电阻R13使V2关断。储能电感L2回扫绕组的电压通过VD4和C9整流滤波后，取得20V输出。高频变压器次级绕组(8-5)的电压通过VD3和C10整流滤波后取得7.5V输出。将6.8V稳压管VDZ4和二极管VD7反极性串联后作为7.5V输出的负载电阻，以改进空载稳压特性。空载时输出电压一旦超越7.5V，VDZ4就被反向击穿，使用VDZ4和VD2上的压降可将输出电压箝制在大约7.5V上。正常作业时，辅佐绕组的输出电压通过VD6、C5整流滤波后给光耦合器PC357供给12～15V的偏压。R5、VD8和C16组成软发动电路，能避免在发动进程中输出过冲。 该电源模块的电源功率与输入电压的联系曲线如图6所示。
2.2.3 电路规划关键 1)选用双极型功率开关管(VT) (1)挑选双极型开关管VT，要能接受较高的电压并供给满足的电流，其电流放大系数要满足高。 (2)挑选R14以供给满足大的基极电流，保证能够敞开DC/DC电源变换器。 (3)挑选R16(典型值为10～20Ω)以约束在开关进程中发生的尖峰电流。 (4)引荐选用Fairchild公司出产的TIP29C型双极型中功率开关管，其首要参数如下：集电极-发射极击穿电压UU(BR)CEO=100V，基极最大答应电流IBM=0.4A，最大集电极电流%&&&&&%M=1A，集电极最大功耗PCM=30W，hFE=75倍，fT=3.0MHz。 2)选用功率MOSFET(V3) (1)挑选R14以约束稳压管VDZ4和VDZ5的功耗。 (2)挑选R15以保证在输入电压低于28V时能封闭V3。 (3)挑选VDZ4的稳压值以避免在输入电压低于28V时敞开V3。 (4)留意，R14及R15的电阻值还影响到VDZ4的损耗。 (5)挑选VDZ5的稳压值以约束V3的最大栅-源电压(典型值应为15V)。 (6)引荐选用Philips公司出产的IRF530N型N沟道功率MOSFET。其首要参数如下：漏-源极击穿电压U(BR)DS=100V，最大漏极功耗PDM=79W，漏-源通态电阻RDS(ON)=80mΩ，跨导gFS=11S，导通时刻tON=36ns，关断时刻tOFF=12ns。 3 结语 特种集成开关电源的品种许多，还能够规划LED驱动电源、地上数字电视播映(DVB-T)电源及电源适配器等新产品;而LinkSwitch系列高功率恒压/恒流式三端单片开关电源、LinkSwitch-TN系列及DPA-Switch系列单片开关电源的面世，为完结中、小功率特种开关电源的优化规划发明了有利条件。
