主电源的降压DC/DC转换器提供额外的辅助电源

时间：2019-03-01 11:10:01

关键字：电源技术解析转换器降压主电源

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[导读]许多系统除了需要电源">主电源外还需要低功率电源。一个典型例子就是当模拟前端放大器需要±5V电源时，主数字电路只需要+5V电源。由于成本、库存管理、电磁兼容等原因，采用

许多系统除了需要电源">主电源外还需要低功率电源。一个典型例子就是当模拟前端放大器需要±5V电源时，主数字电路只需要+5V电源。由于成本、库存管理、电磁兼容等原因，采用单独的-5V转换器设计这个低功率电源也许并不合适，所以必须利用某些方法从主电源获得额外的电源轨。

执行降压型转换器IC的开关操作可以提供一个或多个隔离或非隔离的、准稳压或非稳压的输出，这样就有可能得到大小等于主电源输出电流10%至30%的辅助电源输出电流。

首先回顾一下降压转换器的工作波形，以确定可用来产生额外输出的电压和电流(图1)。在LX引脚上，转换电压波形的幅值范围为：

(V_IN(MAX)-V_DIODE)＜V_LX＜(V_IN(MIN)-V_DIODE)

在电源周期(LX连接V_IN)内，主电感L1上的电压为：

(V_IN(MAX)-V_OUT)＜V_IND＜(V_IN(MIN)-V_OUT)

图1：利用降压转换器中的一定电压和电流可产生额外的电源输出。

连续电感电流操作

当电源开关断开时，LX引脚上的电压变成负值，从而导通二极管D1以确保电感上有连续电流。在D1上的电流下降到零之前，当电源周期一开始连续电流操作就开始了。相关波形如图2所示。如果知道与主要元件有关的各种RMS电流和电压，则按以下方法计算功率消耗。

(1)计算内部LX开关的功率消耗：

P_SW=(I_{SW_RMS})²R_{ON_SW}

(2)计算IC的静态功率消耗：

P_{I_QUIESCENT}=V_INI_QUIESCENT

(3)计算肖特基二极管D1的功率消耗：

P_DIODE=I_{DIODE_RMS}V_{DIODE_FORWARD}

(4)计算负载功率消耗：

P_LOAD=R_LOAD(I_{LOAD_RMS})²

其中，R_{ON_SW}等于数据表给出的内部电源开关导通阻抗(从V_IN引脚至LX引脚)，R_LOAD为接至电源输出的有效阻抗，I_QUIESCENT为无开关操作时控制IC的静态电流，I_{DIODE_RMS}为肖特基二极管D1的正向RMS电流，V_{DIODE_FORWARD}为肖特基二极管D1在额定电流下的正向压降，I_{LOAD_RMS}为负载RMS电流。

图2：图1电路的连续电感电流波形和相关等式示。
当从主降压转换器中获取额外电源时，有一点非常重要，即主电源输出一直处于负载状态，而主电感在整个主降压转换器的负载范围内始终保持导通。
电感的选择
为确保在电感中有足够的能量储备，需要知道主电感上的电压、工作频率和电感电流纹波，以便设置主电感的值，而最大占空比和最小输入电压决定了主电感的最小值，如下所示：
其中：
I_RIPPLE=%I_LOAD(当电感电流连续时)
一般选择纹波电流等于输出电流的某一百分比，对于MAX5035选择纹波电流等于输出电流的30%。请注意，在出现非连续电流之前，纹波电流的大小决定最小负载电流。额外的辅助电源将提高对电源开关峰值电流的要求，从而要求限制辅助电源汲取的电流。
图3：在这个反激电路中，辅助电源输出以0V为参考(a)，或者以主电源正输出为参考(b)。
对许多应用来说，评估套件中100μH和68μF输出滤波器值的标准设置比较合适，且这些值可用于另外的电源。MAX5035具有固定的内部第3类补偿电路，该补偿电路会对输出电容的选择带来一定限制。此外，还要对电容的等效串联电阻(ESR)进行选择，以使“零”频率出现在20kHz至40kHz之间。
图4：次级负载引起初级电感电流发生变化。
由主电感变压器产生辅助电源输出
由于初级电路中的肖特基二极管压降相对恒定(根据电流大小，通常为300mV至500mV)，而控制器可调节输出电压，所以在电源开关断开期间的电感压降也相对恒定。通过连接次级整流器和电容以使二极管在反激(flyback)周期中导通，可从主电感处获取一些能量。图3显示了这种配置的两种电路。将辅助线圈与主降压转换电路隔离，可提供灵活的连接配置。图3a给出了以地为参考的辅助电源输出电路，而图3b则是以主电源正输出为参考的辅助电源输出电路。辅助电源输出的输出电压为：
V_OUT2=N2/N1(V_OUT+V_DIODE)-V_DIODE
其中N1为初级匝数，N2为次级匝数。
图5：这个电路可产生一个由电荷泵衍生出的辅助电源负输出。。
二极管D2在内部LX电源开关断开时导通，因此输出与输入电压的变化无关。选择合适的电容C7以便在电源开关的最长闭合期间提供输出。由于D1的正向压降随温度和负载电流变化，所以次级输出有2%至3%的变化。由于变压器的N1和N2是直流隔离的，额外输出可以以任何直流电压为参考。
对于一个给定的电感值，主电路初级电感的非连续电流将限制辅助电源输出端的次级功率。换句话说，D1在反激周期结束时必须保持导通。当出现非连续电流时，D1的正向电流变为0，LX引脚上的电压不再被箝制，从而有可能损坏主降压转换器IC。
当内部LX开关从闭合转为断开时，次级负载将引起初级电流发生变化。如图4中所示，初级电流的阶跃为：
I_XTRA=P_SEC(D×V_LX)
其中，D为占空比，P_SEC为次级功率，V_LX为LX处峰值电压的偏移。
原则上讲，匝数比的选择有很大灵活性，但实际上，标准1:1变压器具有适当电感值和峰值电流值，这使得1:1成为最常用的匝数比。
图6：图5电路中的电感和电荷泵产生的电流波形。
需要注意额外负载是如何引起初级纹波电流变化的。图4中的粗线简略描述了具有有效辅助电源输出的主电感电流波形的变化。总之，由主电感变压器产生辅助电源输出的优势在于：
1)具有正或负辅助电源输出；2)准稳压辅助电源输出；3)辅助电源输出与主电源输出隔离，辅助电源输出可以以地或主电源正输出为参考；4)由主降压转换电路设置电感值；5)使用现成的标准1:1变压器。
缺点：1)初级纹波电流增大，增加了非连续电流的出现时间；2)辅助电源输出有最小负载的要求；3)主电源正输出有最小负载的要求以维持LX的开关操作。
图7：C5、D2、C6和L2组成了一个SEPIC拓扑。
由电荷泵产生负辅助电源输出
LX端电压的偏移可被用来产生提供非稳压辅助负输出的电荷泵的输入源。由于LX处的电压没有与V_IN的变化隔离，所以额外输出为非稳压输出。图5给出了额外的电荷泵电路。
当电源开关在电源周期开始时关闭，电流经R6流过C7，并以斜坡形式开始流入电感L1(图6)。当D1在反激周期中导通时，C7内的电荷转移到C8和负载。R6是一个很重要的附加元件，它限制流过C7的峰值电流。如果没有R6，电流值将超过电源开关的电流限制，导致电源周期的提前结束，甚至关闭被保护的降压转换器(如MAX5035)。由于R5和C7的存在，非稳压电荷泵的源电阻为：
其中占空比D为：
V_{OUT_MAIN}等于主降压转换电路的输出。
因此有：
确定非稳压电荷泵的源电阻使设计工程师可以评估负载变化时电荷泵的输出电压。电荷泵辅助电源的开路输出电压近似为：
-V_{AUX_OIC}=V_LX+V_{DIODE_1}-V_{DIODE_2}-V_DIODE
这里假设C8上的电荷不会产生电压毛刺(+20%)。
带有负载电阻的电荷泵辅助电源输出电压为：
如果电容值在1至10μF的范围内，R1将成为主要的源阻抗。输出纹波几乎全部由C8的ESR引起。由于电荷泵为非稳压型，所以可能需要用线性稳压器连接输出，以提供经过调节的负输出。这种配置的优势包括可以使用小型元件，且成本比1:1变压器结构电路更低。
然而，其缺点在于：
1)非稳压输出，在输出处需要额外的稳压器；2)要求很高的峰值电流(约为4×I_{OUT_AVE})以产生合适的辅助负载电流；3)只提供负的辅助电源输出；4)只能以地为参考；5)辅助电源输出具有最小负载的要求以免产生过电压毛刺；6)主电源正输出具有最小负载的要求以维持LX的开关操作。
SEPIC辅助电源
通过让次级电感L2与主降压转换电路中的电感L1共享同一磁芯，并由此具有相同磁通量，也可从LX引脚上获得负输出。在图7中，C5、D2、C6和L2组成一个单端初级电感转换器(SEPIC)拓扑。在LX引脚上驱动正输出降压转换的转换信号，与驱动负输出的信号具有相同电压。在开关导通期间，L1上的电压等于V_LX-V_OUT；在开关断开期间，电压等于V_OUT+V_{DIODE_1}。通过1:1变压器，该电压也被加到L2上，并与D2和C5一起产生V_OUT输出。由于L1和L2线圈耦合得并不非常理想，所以C5可以提供SEPIC连接并改善一般反激式辅助电源输出的稳压效果。
这里需要选择合适的耦合电容(C5)以使C5上电压波纹很低，所选的C5值为辅助负载电流占空比和时钟周期的函数。
若V_IN=15V，纹波为1%，输出电流为200mA，T=8μs(MAX5035)，D_MIN=0.3，则有C5_MIN=3.2μF。本例选择10μF的C5_MIN。
这一系统的优势在于：1)准稳压输出；2)电感电流波形“干净”，噪声更小；3)由于采用耦合电感，纹波减少；4)只需单个的磁元件(现成的1:1变压器)。
系统的缺点在于：
1)只提供-V_OUT；2)输出以地为参考。
上述例子虽然选用了MAX5035，但也可以采用输出电压更低的MAX5033，但输出电压有所降低。以下是对三种技术的总结：
反激式辅助电源输出：为让辅助电源输出的参考电压完全独立，在主降压转换电感中增加了线圈、肖特基二极管和电容的反激电路非常有吸引力，且输出经过了适当稳压。通过采用1:1变压器(对MAX5035采用的变压器为Cooper Bussmann DRQ125-101)，辅助电源输出可以等于以地或主V_OUT为参考的±V_OUT。辅助电源输出电流最高可达主电源输出电流的20%，但是主电感电流有一些失真。
电荷泵反相器：这是成本最低的一个方案(没有额外的电感线圈)。由于高峰值电流和电压与该拓扑相关，所以该方案适用于低功率输出。开路时的输出约为-V_IN，并随着辅助电源输出上负载的增大而降低。建议最大负载为主电源正输出的5%或更小。
耦合电感的SEPIC辅助电源输出：该方案在接地系统上并不通用，耦合电感SEPIC拓扑仅提供以地为参考的稳压输出-V_OUT。稳压效果优于反激式方案，且电感电流波形失真小。辅助电源输出电流可达到主电源输出的20%，耦合电感还有助于减小辅助电源输出的纹波。
主电源正输出必须始终保持在有效状态，且主降压转换电感上必须有连续电流。辅助电源输出要求额外的峰值电流，这点在考虑主电源输出的最小负载和辅助电源输出的最大负载时要特别注意。