如何从降压型DC/DC转换器产生辅助电源

2008-06-25 11:07:24来源: 中电网

  很多应用中,除主电源之外通常还需要一个低功率电源。例如:模拟前端放大器需要5V电源供电,而数字主电路只需+5V电源。基于成本、物料管理以及EMC等因素的考虑,单独增加一路-5V电源不是很合适。因此,需要寻找一种可以从主电源产生辅助电源的方法。

  为解决上述问题,可以用一个降压转换器的开关操作产生一路或多路、隔离的或非隔离的电源输出。从主电源获取10%~30%的辅助电源输出电流是完全可行的,本文将通过MAX5035 DC/DC转换器说明具体的实现方案。

  降压波形

  首先回顾一下降压转换器的工作波形,确定用来产生辅助输出的电压和电流,参见图1。

  LX引脚的开关电压波形幅度为:

  开关管导通期间(LX和VIN相连),主电感两端的电压为:

  

  连续电感电流工作模式

  开关管断开时,LX端电压为负,二极管D1导通,保证电感电流是连续的。在流过D1的电流变为0之前,开启下一个开关周期,则称该种工作模式为连续模式(见图2)。

  

  了解了各个关键元件的RMS电流和电压之后,功耗可由下式计算得到:

  

  辅助输出

  通过在一个降压主电源的电感上添加辅助线圈,可以在主电源上产生辅助输出。辅助输出取决于钳位肖特基二极管(图1中的D1)导通时,主电感的反激动作。因为二极管的导通压降相对比较稳定(典型值为300mV~500mV,视电流大小而定),并且控制器调节输出电压保持相对恒定,所以在开关断开期间,电感两端的压降也相对稳定。为了让电感压降保持稳定,在整个主降压电源的负载范围内,主电感都应该保持连续导通模式。

  LX引脚也可用来为电荷泵电路提供开关输入。为保持该输入稳定,需要辅助输出时,LX引脚必须处于有效状态。通过让主电源降压转换器保持给一个最小负载供电,就可以使LX始终处于有效状态。

  电感选择

  通过三个参数确定主电感值:电感两端的电压、工作频率以及电感的纹波电流。综合考虑这三个参数,可以保证有足够的能量存储到电感中。电感最小值由最大占空比和最小输入电压共同决定:

  纹波电流表示为输出电流的百分数,MAX5035的纹波电流定义为30%。注意,纹波电流决定了进入断续工作模式前的最小负载电流。由于辅助电源会增加开关管的峰值电流,所以一定要小心设置辅助电源的限流。对于大多数应用,评估(EV)板上输出滤波器的标准没置(100μH和68μF)比较合适。这些值也可用于辅助电源。MAX5035内部有一个固定的、III型补偿电路,从而限制了输出电容的选择。选择ESR使零点位于20kHz~40kHz之间,更多信息请参考MAX5035数据手册的应用部分。

  由主电感变压器产生辅助输出

  在开关管断开期间,由于初级侧肖特基二极管的压降相对稳定(典型值为300mV~500mV,视电流大小而定),并且控制器调节输出电压保持相对恒定,所以电感两端的压降也相对稳定。连接次级侧的整流管和电容,使导通发生在反激期间(二极管导通时),让能量可以从主电感里释放出来。图3a和图3b显示了2种不同的连接方式,来实现辅助线圈与主降压电源的隔离。图3a显示了辅助输出以零电压为参考的情况,图3b显示了辅助输出以主电源正输出为参考的情况。

  辅助输出电压计算如下:

  N1是初级侧的线圈匝数,N2是次级侧的线圈匝数。

  由于内部LX开关断开时,D2导通,所以图3中的输出与输入电压的变化无关。在开关管的最大导通时间内,电容C7应当能够维持输出。由于D1的正向导通压降随温度和负载电流的变化而有所变化,因此次级输出具有2%~3%的波动。变压器N1和N2相互之间足直流隔离的,所以辅助输出可以参考于任何一个直流电压。

  对于一个给定的电感值,辅助输出的次级电源受限于主电源初级回路中的不连续电流。简单来说,就是在反激结束的时候,D1必须保持导通。在断续工作模式下,二极管D1中的电流变为零,LX端的电压将在一个由输出电感和在LX节点处的总寄生电容决定的频率下产生衰减“振铃”。

  在内部LX开关由导通变为关断时,次级负载会导致初级电流的改变。图4所示的电流变化可由下式计算得到:

  IXTRA=PSEC(DVLX)

  D=占空比

  PSEC=次级电源

  VLX=LX的峰值电压变化

  

  理论上,可以灵活选择匝数比。然而实际应用中,具有适当的电感值和峰值电流的标准1:1变压器,是匝数比选择中经常用到的。

  请注意负载是如何影响初级侧电流纹波变化的。图4中的粗线简单描绘了主电感电流的波形随辅助输出的变化而变化的情况。

  这种方法的优点是:能够产生正电源或负电源辅助输出;隔离辅助输出,可以是以地或主电源为参考的正输出;电感值由主降压电源设定。缺点是:初级纹波电流的增大,提升了不连续电流的起点;辅助输出需要有最小负载;主电源的正输出要求有一个最小负载,以维持LX的开关动作。除此之外,还可以选择电荷泵或SEPIC架构产生辅助电源。

关键字:辅助电源  电感  纹波电流  匝数  DC  转换器  整流管  输出电容  SEPIC  VI

编辑:孙树宾 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2008/0625/article_55.html
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