便携式B超电源的设计

便携式B超电源的设计
  便携式B超系统内部使用的电源比较复杂，外部适配器和电池的电源必须经过DC/DC转换，以转换成系统需要的电压。为了降低电源上的无用消耗，提高电池使用效率，系统主板、B超控制板、液晶显示器以及键盘的电源采用开关电源供电。
  便携B超电源的整体设计
图1为便携B超电源的整体设计方框图。便携B超电源输入电压有两种：一是电源适配器输入，电压为18V，二是电池输入，电压为14.4V。要求实现两种电压之间的热切换，并在切换电压时不影响系统工作，即提供外电和电池供电无延时热切换功能。需要输出±12V、5V、3.3V、±48V等几种电压，具体指标为12V/2.5A、-12V/0.5A、5V/4A、3.3V/3A、+48V/80mA、-48V/80mA。具有单键开关机功能，即无电时，按电源键打开电源；在有电时，按电源键向控制面板发送关机信号，上位机还可以通过软件关机（即支持ATX关机指令）。电源输出接口采用标准计算机ATX接口。
  
  图1 便携B超电源整体设计方框图
  电源切换电路的设计
便携B超电源切换电路如图2所示，在外接电源适配器时，电压输入交流18V，经VD100、VD101二极管后，再经R100、R107分压加到N100A（LM193）电压比较器的3脚（同相端）。电池输入电压是14.4V，经R101、R108分压后加到N100A（LM193）电压比较器2脚（反相端）。由于3脚电压高于2脚，因此N100A（LM193）1脚输出高电平，使三极管V100导通，V101截至，场效应管V105截至，POWER_IN+端得到的是外接电源适配器的18V电压。当没有外接电源适配器时，或便携B超机在使用过程中，外部交流电突然停电造成无法使用外接电源适配器时， N100A（LM193）的3脚电压低于2脚，N100A（LM193）1脚输出低电平，使三极管V100截至，V101导通，场效应管V105导通。电池电压经过导通的场效应管V105的源、漏极，POWER_IN+端得到的是电池的14.4V电压，实现了两种电压之间的热切换。VD102、VD103在电路中起隔离作用，隔离外接电源适配器和电池供电。
  
  图2 电源切换电路
  单键触摸开关机电路的设计
便携B超单键触摸开关机电路如图3所示，由外接适配器或电池来的POWER_IN+电压，一路送到场效应管Q100，准备开机，另一路经R104、VD104送到轻触按钮POWER-KEY2的一端。轻触按钮POWER-KEY2的另一端是接地的，当按下轻触按钮POWER-KEY2时，三极管N106的基极被钳位在低电平，N106导通，进而N102也导通，场效应管Q100导通，由外接适配器或电池来的POWER_IN+电压经过导通的Q100的源、漏极，获得POWER+电压，给高、低压电路供电，机器开机。在开机的同时，POWER+电压经过6V的稳压二极管使三极管N104导通，N104集电极为低电平，维持N106导通，保持开机状态。
  
  图3 单键触摸开关机电路
  
当便携B超机在开机状态中，再一次按下按钮POWER-KEY2时，光耦B101导通，光耦次级导通，反向器D101的4脚输出低电平到控制面板，控制面板发出低电平关机指令POWER-OFF1，使光耦B100导通，进而使三极管N103导通，N104截至，N104集电极的高电平使N106截至，导致场效应管Q100截至，实现了关机。
  
当上位机发出高电平的关机指令POWER-OFF时，也将使光耦B100导通，余下的过程和控制面板关机过程一样。
  低压电源电路的设计
便携B超低压电源电路如图4所示，主要有6个TI公司的TPS5430和1个美国国家半导体公司的LM2576组成。6个TPS5430提供2组+12V、+5V、+3.3V的电压，其中一组给便携B超机的主控板供电，另外一组用于给便携B超中的电脑供电。这两组是完全一样的，因此，我们只给出了其中一组的供电原理图。LM2576负责产生-12V电压给便携B超中的电脑。
  
  图4 低压电源电路
  
TPS5430有5.5～36V的宽电压输入范围，连续的3A的电流输出能力（峰值达4A），转换效率达95%。8引脚小型贴片封装，芯片背部是金属散热片，使用的时候一定要焊接到地，做PCB封装的时候将散热片当成第9脚。不需要再接散热装置，利用电路板本身散热就可以取得很好的效果，特别适合便携产品的设计使用。TPS5430的1脚是BOOT端，需要在BOOT和8脚PH间接0.01μF的低ESR电容。2、3脚是空端，4脚VSENSE是调整器的反馈电压端，接输出电压的分压电阻端，来取得输出电压的反馈。5脚ENA是电源ON/OFF控制端，当此脚电压低于0.5V以下时，本芯片将关闭电源转换，供电电流减少到18μA，悬空的时候使能，芯片正常工作，我们没有对此脚控制，因此悬空没接。6脚接地，7脚VIN是电源供电端，接POWER+。在电源供电和地间接一个高质量、低ESR的陶瓷电容。8脚PH是内部功率场效应管的源极，外部连接续流二极管和电感。第9脚PowerPad端是芯片背部散热金属片，必须连接到地（GND）上。
  
TPS5430的输出电压值是由其4脚的分压电压值决定的，输出电压Vout=（1.221+（R1×1.221）/R2）V。其中，R1是分压上电阻，R2是分压下电阻。对于TPS5430的设计，R1可以取10kΩ，R2则能根据要获得的输出电压来计算。根据图4给出的R206(1.11K)、R208(3.07K)、R210(5.36K)，我们可以计算出输出电压分别是12.2V、5.2V、3.5V，比设计值略高0.2V，负载比较重，带载的时候电压正好合适。
  
N208(LM2576-12)是美国国家半导体的产品，1脚是电源供电端，接POWER+；2脚是输出端，外接续流二极管和电感；3脚是接地端，5脚是电源ON/OFF控制端，由于要输出负电压，因此3、5脚没有接地而是接-12V电源上了；4脚是电压反馈端，我们使用固定12V输出的LM2576-12，故4脚接地，不需要接反馈电阻分压。
  高压电源电路的设计
便携B超高压电源电路如图5所示，使用DC/DC变换器。UA3843是专门用于DC/DC变换器应用的高性能、固定频率、电流模式控制器，为设计者提供使用最少外部元件的高性价比的解决方案。其分PWM控制、周波电流限制、电压控制等几部分。
  
  图5 ±48V电源电路
  
1 PWM控制
POWER+经过电阻R34为N1(UA3843)的7脚提供电压，N1的4脚外接R36、C33与内部电路形成的锯齿波振荡器开始工作。PWM脉冲由N1的6脚输出，控制MOSFET V9的导通时间，决定输出电压的高低。R37用于抑制寄生振荡，通常串联在靠近MOSFET栅极处。栅极电阻R37不能太大，它直接影响PWM驱动信号对MOSFET输入电容的充放电，即影响MOSFET的开关速度。开关变压器的次级第9、10脚输出的感应电动势经VD14整流，C35、L7、C36滤波，形成+48V直流输出电压为B超探头供电。开关变压器的次级第7、6脚输出的感应电动势经VD13整流、C39、L8、C37滤波，形成-48V直流输出电压为B超探头供电。VD12、C34、R38组成尖峰脉冲吸收电路，用于在开关管从导通转为截止的瞬间抑制V9的漏极所产生的幅值极高的尖峰脉冲。其原理是：在V9截止的瞬间，其漏极产生的尖峰脉冲经VD12、C34构成充电回路，充电电流将尖峰脉冲抑制在一定的范围内，避免了V9被尖峰脉冲击穿。当C34充电结束后，C34通过R38放电，为下个周期再次吸收尖峰脉冲作准备
  
2 周波电流限制
2脚FEED BACK是反馈电压输入端，此脚与内部误差放大器同相输入端的基准电压(一般为+2.5V)进行比较，产生控制电压，控制脉冲的宽度，本电路将其接地，由内部误差放大器的输出端1脚进行控制。3脚的周波电流限制信号决定了PWM脉冲的宽度，即决定了输出电压的高低。N1(UA3843)3脚外接的R47、R48、R14、C32组成周波电流限制电路，在每一个振荡周期中，当开关电源脉冲变压器L6初级的3～5绕组电感电流峰值达到设定值时就关闭PWM脉冲，设定值由N1(UA3843)的1脚COMP端电压决定（1脚COMP是内部误差放大器的输出端），通常此脚与2脚之间接有反馈网络，以确定误差放大器的增益和频响。周波电流限制控制过程如下：开关管导通，电感电流上升，取样电压V3上升，当3脚电压大于1V时，内部电流检测比较器翻转，内部PWM锁存器复位，关闭PWM脉冲，准备进入下周期。为消除电流限制电路尖波脉冲干扰，由R14、C32组成尖波滤波电路，以确保周波电流限制功能在每一个振荡周期中都有效。R47、R48为限流取样电阻，决定了整个开关变换器的最大输出电流值，改变其阻值可以调整最大输出电流。
  
3 电压控制
N1(UA3843)是电流型脉宽调制器，有两个闭环控制。电流取样信号送到电流检测比较器同相输入端3脚，构成电流闭环控制,误差电压送到内部误差放大器的输出端1脚，其输出送到电流检测比较器反相输入端作为比较基准，构成电压闭环控制。由此看出，电压闭环与电流闭环是相互作用的，两者最后都通过电流检测比较器来控制PWM锁存器，即控制PWM脉冲的宽度。电压闭环控制电路由电压基准N2(TL431A)、光电耦合器B4(TLP521)及电阻R31、VR7、R12、R32等元件组成。光电耦合器B4(TLP521)输出的电流信号转化成电压信号，送到内部误差放大器的输出端1脚。N2(TL431A)误差放大器内部比较基准为2.5V。电压闭环稳压控制过程是：输出电压上升，TL431A基准端VR上升，TL431导通上升，光电耦合器B4(TLP521)导通上升，1脚电压下降，内部电流检测比较器翻转提前，内部PWM锁存器复位提前，PWM脉冲变窄，输出电压变低，从而稳定了输出电压。高压输出电压值VOUT=(1+R31/(R12+VR7))Vref，通过调节电位器VR7的值，可以使输出调整在±48V，调节范围是31×2.5=77.5V～（1+15）×2.5=32V。
  结语
本文介绍了便携式B超电源的设计，包括电源切换电路的设计、单键触摸开关机电路的设计、低压电源电路的设计及高压电源电路的设计。在我们的便携设备中很好的完成了设计指标的要求，可以应用到其他便携设备中。&lt;--开始插入图片--><--jsp20090902135720.jpgjsp20090902135755.jpgjsp20090902135943.jpgjsp20090902140013.jpgjsp20090902140056.jpg--><--结束插入图片-->