特种单片开关电源模块的电路设计

沙占友 马洪涛 安兵菊

引言

特种集成开关电源主要包括以下5种类型[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。

特种单片开关电源有两种设计方案：第一种是采用通用单片开关电源集成电路（例如TOPSwitch－Ⅱ、TOPSwitch－FX、TOPSwitch－GX等系列），再配上电压控制环、电流控制环等外围电路设计而成的，其特点是输出功率较大，但外围电路复杂；第二种是采用最近问世的LinkSwitch系列高效率恒压／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，降低成本，适合构成中、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）等领域。

1.1 性能特点和技术指标

1）采用高效率恒压／恒流式单片开关电源LNK500，交流输入电压范围是85～265V，当交流输入电压为265V时，漏电流
2）低功耗，高效率，空载功耗
3）在峰值功率点，允许输出电压有±10％的误差，当初级电感量Lp的误差为±10％时，输出电流有±25％的误差。

4）电路简单，价格低廉，该电源仅需23个元器件，不需要次级反馈电路，用初级电路即可实现恒流／恒压输出，允许采用低价格、小尺寸的EE13型磁芯。

5）具有过热保护、输出短路保护及开环保护功能。

6）符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设计

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，它具有限流保护作用并能限制上电时的冲击电流。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，能滤除电磁干扰。L2可采用3.3μH的磁珠。在LNK500内部功率MOSFET导通时，输出整流管VD6截止，此时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采用1A／100V的肖特基二极管SB1100，R4和C7并联在VD6两端，能防止VD6在高频开关状态下产生自激振荡。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能：

1）当功率MOSFET关断时，对初级感应电压进行箝位；

2）能简化反馈电路的设计。

控制端的反馈电流由电阻R2来设定。刚启动电源时由控制端电容C4给LNK500供电，C4还决定了自动重启动频率。

为了降低电磁干扰，高频变压器的初级设计了两个绕组，分别为NP1及NP2。NP2被称为抵消绕组（cancellation winding），它经过R3及C5接初级返回端，能降低初级电路中的电磁干扰。此外，在初、次级之间还需增加屏蔽层。

LNK500只适合在不连续模式下工作，其输出功率由式（1）确定。


式中：PO为输出功率；

η为电源效率；

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控制。 高频变压器采用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（允许有±10％的误差）。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 以太网电源的性能特点

以太网（EthernetNetwork）是目前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同时为用户提供数据和供电电源，不需要再另外布线。以太网电源中的电源装置简称为PD，它具有以下特点：

--能提供PD检测与分类信号；

--能提供到DC／DC电源变换器的软启动接口；

--具有过电流保护、过电压保护、过热保护等功能。

根据POE规范，PD应具有以下3个基本功能。

1）能识别信号阻抗 当一个输入电压加到PD时，它必须在规定电压范围内呈现正确的识别信号阻抗。当某个以太网设备请求供电时，首先给以太网发出2.5～10V的电压信号，有效的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变化；通过检测该电流确认在以太网电缆终端有一个有效的以太网设备需要供电。如放置的电阻值在12～23.75kΩ或在26.25～45kΩ范围内，则认为该以太网设备有效但不需要供电。其他范围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，每种类型对应于一定的电流。例如，0类PD的电流为0.5～4mA。当PD检测有效信号之后，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获得一个固定的电流，再根据电流范围完成PD分类。

3）开关连接 连接以太网电源的开关主要有两种，一种是双极型晶体管开关，其电源效率较高，成本较低；另一种为MOSFET开关，其电源效率极高（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信设备中。