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超低電流隔離型開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

   在非連續(xù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)中媒楼,開(kāi)關(guān)電源常常需要工作在一個(gè)相互矛盾的條件下肝珍,即要求輸入和輸出之間保持較高的隔離度和靜態(tài)電流極低的待機(jī)模式洲猿。由于工作狀態(tài)下消耗的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于待機(jī)功耗获隆,這樣的組合要求增大了設(shè)計(jì)難度。由于需要在隔離和低功耗之間進(jìn)行折衷村会,目前商用化的電源模塊幾乎都不能滿(mǎn)足這樣的要求涌遏。


  本文討論了對(duì)一款用于無(wú)線通信設(shè)備的隔離型開(kāi)關(guān)電源的測(cè)試結(jié)果,電源輸入電壓為12V泌拐,輸出3.6V基差,具有目前市面上最低的靜態(tài)電流。這款電源是為EGSM威球、WiFi和ZigBee通信模塊設(shè)計(jì)的宅蜒,其遠(yuǎn)端控制功能可以在惡劣環(huán)境下用于電機(jī)激勵(lì)和電子檢測(cè)。


  無(wú)線通信在過(guò)去5年發(fā)生了突飛猛進(jìn)的增長(zhǎng)蜓浦,并將繼續(xù)保持增長(zhǎng)勢(shì)頭捍农。除了GSM和3G移動(dòng)通信系統(tǒng),基于IEEE無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)802.xx1各種版本的Bluetooth绳拧、WiFi壹店、Winmax和ZigBee等新興通信技術(shù)也在不斷發(fā)展。目前翘悉,包括小型無(wú)線監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備在內(nèi)的監(jiān)控需求越來(lái)越多茫打,這樣的設(shè)備必須滿(mǎn)足苛刻的尺寸和功率要求。為了滿(mǎn)足這些要求妖混,集成供應(yīng)商必須通過(guò)高度集成的芯片來(lái)降低系統(tǒng)尺寸2和功耗3,4老赤。


  無(wú)線設(shè)備供電電源的一項(xiàng)重要指標(biāo)是延長(zhǎng)電池的使用壽命,主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是在保證無(wú)線通信系統(tǒng)性能的前提下降低功耗。綜合上述條件抬旺,需要考慮以下設(shè)計(jì)特點(diǎn):


    1弊予、非連續(xù)收發(fā);
    2开财、電源濾波或穩(wěn)壓汉柒;
    3、高效電路拓?fù)洹?/font>


   上述第一個(gè)特點(diǎn)取決于傳輸系統(tǒng)责鳍,第二個(gè)要求可以通過(guò)開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)碾褂,而第三個(gè)要求則由開(kāi)關(guān)電源本身的功耗決定,另外還需要盡可能減小待機(jī)功耗历葛。因此达迁,通過(guò)上述三個(gè)特點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。


  非連續(xù)收/發(fā)


  因?yàn)闊o(wú)線系統(tǒng)中宾哼,發(fā)送器和接收器耗電最大仔约,很多設(shè)備采用了非連續(xù)發(fā)送/接收方案,以?xún)?yōu)化通信鏈路的空間接口資源和效率压荠。由于無(wú)線通信單元不時(shí)連續(xù)工作淫韧,有利于降低整體功耗。


  另一方面韩宦,非連續(xù)傳輸會(huì)在電源中引入較大的電壓紋波和電流峰值5嘿帆。偏置電壓的穩(wěn)定性會(huì)直接影響收發(fā)器的性能,電源電壓的跌落將大大降低射頻電路的工作指標(biāo)计胶,從而很難滿(mǎn)足通信設(shè)備的規(guī)格要求气岁。系統(tǒng)由蓄電池供電時(shí),電池壽命和放電特性對(duì)負(fù)載的峰值電流也非常敏感秆候。


  電源濾波和穩(wěn)壓


  電源可以通過(guò)一個(gè)大電容或其它技術(shù)進(jìn)行濾波(參考文獻(xiàn)6)。電源電壓通過(guò)線性穩(wěn)壓器或開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行調(diào)節(jié)慌回,穩(wěn)壓不僅僅可以降低紋波還可以減小EMI刺洒,以保持無(wú)線設(shè)備的工作性能。


  大功率電源拓?fù)?/strong>


  電源的效率非常關(guān)鍵吼砂,因此逆航,需選擇最佳拓?fù)涞拈_(kāi)關(guān)電源。表1列出了常見(jiàn)的商用化DC-DC轉(zhuǎn)換模塊的渔肩,但這些模塊不能滿(mǎn)足我們的目標(biāo)需求:空載時(shí)保持超低功耗因俐。即使是非隔離電源在空載時(shí)也會(huì)消耗相當(dāng)大的電流,我們的目標(biāo)是在空載條件下將電源電流限制在12mA以?xún)?nèi)周偎,為了達(dá)到這一目標(biāo)抹剩,我們把待機(jī)電流和靜態(tài)電流按以下的方式劃分:


    靜態(tài)電流是空載下保持穩(wěn)壓所需的電源電流;
    待機(jī)電流是當(dāng)電源不為系統(tǒng)提供穩(wěn)壓輸出時(shí)的電源電流蓉坎。


   最后澳眷,我們還需要提供隔離胡嘿,在惡劣環(huán)境下為系統(tǒng)可靠工作提供必要的保護(hù)。


  當(dāng)前技術(shù)水平


  上述討論表明為無(wú)線設(shè)備設(shè)計(jì)電源時(shí)需要考慮以下問(wèn)題: 非常低的空載功耗钳踊; 隔離衷敌; 效率和尺寸。


  基于上述三個(gè)條件拓瞪,設(shè)計(jì)高效轉(zhuǎn)換器時(shí)須注意以下三個(gè)方面: 隔離移履; 控制方法; 反饋回路的拓?fù)洹?


  隔離


  電源的輸入和輸出隔離是通過(guò)變壓器實(shí)現(xiàn)的救咙,對(duì)于逆變和反激拓?fù)淙ㄅぃ芰績(jī)?chǔ)存在變壓器電感內(nèi),問(wèn)題是如何提供變壓器次級(jí)到原級(jí)的反饋禾计。大多數(shù)系統(tǒng)通過(guò)使用額外的繞組或光耦實(shí)現(xiàn)灾您。輔助繞組提高了復(fù)雜度,而且在低壓輸出以及負(fù)載變化時(shí)不能保證足夠精確的輸出電壓宇夭。


  電源系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)烛辜,光耦需要穩(wěn)定的電流流過(guò)原級(jí)LED。為優(yōu)化系統(tǒng)楔撩,需盡可能降低該電流(圖1)臂葫。通過(guò)減小低電流下光耦的轉(zhuǎn)移系數(shù)(CTR) (10mA時(shí)63%,1mA時(shí)22%)焙番,并降低光耦速度可以使這個(gè)電流達(dá)到最小豆蚀。此外,還需要誤差比較器缔御、精密基準(zhǔn)TLV431的電流抬闷,使其保持在最小值(Ikmin = 100μA)。



圖1. 輸出分壓電路產(chǎn)生誤差比較器信號(hào)耕突,用于隔離圖3所示開(kāi)關(guān)電源笤成。


  對(duì)于連接在基準(zhǔn)輸出的分壓電阻R131和R137,為了減小電流須選擇大阻值電阻眷茁。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮補(bǔ)償輸入電流和輸入電容造成的延遲(這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)電容分壓解決)炕泳。由于輸出電容(C47)很大,需要選擇低ESR電容(鉭上祈、OsCon培遵、有機(jī)鋁電容等)。另外還要求電容具有極低的漏電流登刺,應(yīng)為漏電流(特別是在高溫情況下)會(huì)產(chǎn)生很大的損耗(對(duì)于一個(gè)16V Kemet T495 100μF電容籽腕,IL在25°C 時(shí)等于16μA,85°C時(shí)會(huì)達(dá)到160μA)。


  控制電路


  最常見(jiàn)的電源拓?fù)涫请娏髂J矫}寬調(diào)制(PWM)节仿,通過(guò)改變脈沖寬度控制電感的充電電流晤锥。負(fù)載較重時(shí),通過(guò)加大脈沖寬度使電感儲(chǔ)存更多能量(圖2)罩泰。負(fù)載較輕時(shí)鬼浮,通過(guò)減小脈沖寬度降低電感儲(chǔ)能。對(duì)于低電流負(fù)載孝生,電源工作在非連續(xù)模式全头,主要電流損耗源于電源本身。



圖2. 脈寬調(diào)制器(PWM)控制產(chǎn)生控制電壓(中線)和電感電流(底線)据将,以響應(yīng)負(fù)載電流的變化(頂部)咽露。


  PWM最大的好處是固定頻率,簡(jiǎn)化了EMI控制的電路設(shè)計(jì)婉孙,并可提高重載下的效率者只。其主要缺陷是在輕載或空載條件下相對(duì)電流損耗較大,因?yàn)檎{(diào)節(jié)器內(nèi)部振蕩器工作在固定頻率(例如抓许,UC3845在輕載下電流損耗為:Icc = 17mA)蔑懈。圖3為UC3845主控制器電壓、電流反饋網(wǎng)絡(luò)的典型電流損耗毛底。



圖3. PWM控制器(U41)利用光耦隔離產(chǎn)生變壓器次級(jí)到原級(jí)的反饋拐迁。


  反饋網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>


  電壓反饋由流過(guò)光電晶體管(光耦U45內(nèi)部)到R135的電流提供,R135需要盡可能大疗绣,以降低功耗线召,但還必須保持光耦正常工作的電阻值。


  電流反饋通過(guò)R134的壓降產(chǎn)生多矮,為降低功耗缓淹,在該電壓和基準(zhǔn)(VREF = 5V,第8引腳)之間采用R125塔逃、R133分壓割卖,在ISENSE (第3引腳)端得到1V電壓。分壓電阻必須有足夠大的阻值患雏,以降低功耗;但還必須注意電阻與C53形成的RC濾波器不會(huì)影響電流信號(hào)罢维。消耗在R126和C46振蕩器元件的功耗是不可避免的淹仑,因?yàn)樾枰冀K保持輸出電壓。


  更新方案進(jìn)一步降低功耗


  對(duì)于基于UC38C41或MAX5021 PWM控制器和TLV431C或MAX8515A精密基準(zhǔn)設(shè)計(jì)的電源來(lái)說(shuō)肺孵,通過(guò)幾種渠道可以進(jìn)一步降低功耗匀借。可以選擇合適的元件降低功耗。


  誤差比較器


  通常選擇TL431提供精密基準(zhǔn)裤泄,但它不適合本設(shè)計(jì)攘霞,因?yàn)樗a(chǎn)生的電壓(VA-Kmin = VREF = 2.5V,加上U45 LED和R124的壓差)過(guò)于接近3.6V的輸出電壓几崔。一種替代選擇是使用MAX8515并聯(lián)基準(zhǔn)虽捺,其基準(zhǔn)電壓僅為0.6V,在-40oC至+85°C溫度范圍內(nèi)能夠保持1%的精度影塑。對(duì)于低壓輸出應(yīng)用蝎蚣,該款I(lǐng)C是最理想的選擇,因?yàn)樗鼪](méi)有上述高基準(zhǔn)電壓的限制(基準(zhǔn)電壓達(dá)到2.5V)徘繁。


  該應(yīng)用實(shí)例的另一選擇是TLV431C并聯(lián)型基準(zhǔn)淹误,可以從多家供應(yīng)商獲得,能夠滿(mǎn)足基準(zhǔn)要求:VREF = 1.24V嘹券,0oC至+70°C范圍可保持1%精度湘发。分壓網(wǎng)絡(luò)電流固定在24μA,保證基準(zhǔn)電流(溫漂0.5μA)對(duì)輸出電壓沒(méi)有明顯影響犀村。另外宰僧,須保證輸入電容產(chǎn)生的信號(hào)延遲不會(huì)影響電路的正常工作。


  PWM控制器


  傳統(tǒng)的UC3845(圖3)控制器電流損耗大約為17mA (VFB和VSENSE = 0V)铃剔,對(duì)于本應(yīng)用該電流過(guò)高撒桨,可以采用MAX5021代替。MAX5021的封裝為SOT23-6键兜,在同類(lèi)IC中尺寸最小凤类。它還具有最低工作電流(1.2mA),內(nèi)置260kHz振蕩器普气,0.6V的VISENSE谜疤,可以直接由光耦輸入,其很多特性均可滿(mǎn)足該類(lèi)應(yīng)用的要求现诀。其不足之處是欠壓保護(hù)門(mén)限10Voff/24Von不適合12V輸入的應(yīng)用夷磕。另外,它具有極低的待機(jī)電流仔沿,非常適合高輸入電壓的場(chǎng)合坐桩。


  最后可以考慮的一款I(lǐng)C是UCC38C41,其欠壓保護(hù)門(mén)限6.6Voff/7.0Von封锉,典型電流損耗ICC = 2.3mA爬蜜。電流檢測(cè)電路消耗電流100uA,光耦消耗電流530uA假凿。為了維持光電晶體管電流披痕,LED需要至少1mA電流萤野。所得到的電源尺寸大約50x30mm,包括兩個(gè)光耦诞只,一個(gè)用于控制環(huán)路反饋杜诲,另一個(gè)用于檢測(cè)輸入端的電池電壓。這個(gè)電源性能如下:


    功率 = 3.6W包惹;
    輸入電壓范圍:10V至15V茵软;
    標(biāo)稱(chēng)輸入電壓Vin = 12V;
    隔離(需要電流隔離)阐逗;
    降壓型反激拓?fù)洌?
    電壓和電流控制環(huán)路池躁;
    PWM控制模式;
    開(kāi)關(guān)頻率是250kHz韵谋;
    最大輸出電流是1A褒选;
    輸出電壓是3.6V;
    空載電流5.7mA振诬。


  測(cè)試結(jié)果


  圖4是用于幾款無(wú)線模塊的原形電路蹭睡,工作在非連續(xù)模式,最大峰值電流為3A赶么,最大平均電流為1A肩豁。為了減小最大峰值電流并解決由此帶來(lái)的問(wèn)題,設(shè)計(jì)時(shí)需要參考文獻(xiàn)5和6討論的相關(guān)技術(shù)辫呻。推薦使用大容值清钥、低ESR電容。



圖4. 該電路板包括圖3所示電源的光耦隔離放闺。


  測(cè)試結(jié)果(表2和表3)沒(méi)有包括輸入濾波電路和保護(hù)電路的共模損耗祟昭。表2給出了不同輸入電壓下的空載電流。


  


  最低電流可以達(dá)到5mA怖侦,這個(gè)值還可以進(jìn)一步減小到3mA篡悟,但可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了防止自激并考慮元件的容差匾寝,為了留出一定的裕量搬葬,將最小電流設(shè)置在略高于5mA。如表3所示黍鸡,在標(biāo)稱(chēng)工作條件下芜监,典型負(fù)載下,電路經(jīng)過(guò)優(yōu)化可以達(dá)到最高效率秀坤。圖5給出了不同輸出電流下的效率锦售。


  
圖5:圖3所示電源的效率曲線,在標(biāo)稱(chēng)12V輸入電壓吆揖、不同負(fù)載下效率非常穩(wěn)定(曲線保持平坦)铜诽。



  根據(jù)我們掌握的數(shù)據(jù),目前商用化的绳瓣、具有類(lèi)似特性的隔離電源懂棘,其最小空載電流為20mA。利用常見(jiàn)的元器件嗡深,本文介紹的應(yīng)用電路可以將靜態(tài)電流降至5mA先赛,由于我們12mA的設(shè)計(jì)目標(biāo)。


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