电源电路设计

众所皆知，电源电路设计，乃是在整体电路设计中最基础的必备功夫，因此，在接下来的文章中，将会针对实体电源电路设计的案例做基本的探讨。电源device电路※输出电压可变的基准电源电路（特征：使用专用IC基准电源电路）图1是分流基准（shuntregulator）IC构成的基准电源电路，本电路可以利用外置电阻与的设定，使输出电压在范围内变化，输出电压可利用下式求得：----------------------（1）：内部的基准电压。图中的TL431是TI的编号，NEC的编号是μPC1093，新日本无线电的编号是NJM2380，日立的编号是HA17431，东芝的编号是TA76431。（特征：高精度、电压可变）类似REF-02C属于高精度、输出电压不可变的基准电源IC，因此设计上必需追加图2的OP增幅IC，利用该IC的gain使输出电压变成可变，它的电压变化范围为，输出电流为。※利用单电源制作正负电压同时站立的电源电路（特征：正负电压同时站立）虽然电池device的电源单元，通常是由电池构成单电源电路，不过某些情况要求电源电路具备负电源电压。图3的电源电路可输出由单电源送出的稳定化正、负电源，一般这类型的电源电路是以正电压当作基准再产生负电压，因此负电压的站立较缓慢，不过图3的电源电路正、负电压却可以同时站立，图中的TPS60403IC可使的电压极性反转。※40V最大输出电压的SerialRegulator（特征：可以输出三端子RegulatorIC无法提供的高电压）虽然三端子RegulatorIC的输出电压大约是24V，不过若超过该电压时电路设计上必需与IC以disklead等组件整合。图5的SerialRegulator最大可以输出+40V的电压，图中D2Zener二极管的输出电压被设定成一半左右，再用R7VR1R8将输出电压分压，使该电压能与VZ2的电压一致藉此才能决定定数。必需注意的是R7R8若太大的话，会引发输出电压噪声上升与波动等问题；反R7R8之若太小的话，会有发热耗损电力之虞，因此一般以R7R82-5K比较合适。※输出电压为40-80的SerialRegulator（特征：利用disklead组件输出高电压）图6是可以输出电压为40-80的SerialRegulator，由于本电路的输出电压非常高，因此无法使用OP增幅IC。图中的VCEO是利用120V的2SC2240-GR构成误差增幅器。此外本电路还追加TR5与Cascode增幅器，藉此改善误差增幅器的频率特性。2SK373-Y是VDS=100V的FET，它可以构成高耐压的定电流电源。除了FET之外还可以使用最大使用电压为100V，定格电力为300MW，石冢电子的定电流二极管E-202。※输出电压为150V的高电压SerialRegulator（特征：设有输出短路保护电路）如图7所示本SerialRegulator的base的共通增幅电路与OP增幅器输出端连接，因此可以输出高电压。如果输出发生短路的话，TR3的保护电路就会动作，TR3将流入120MA限制在范围内，此时输入电压会施加至TR2的drain与source之间，所以会有20W左右的损失。※输出电压为400V的高电压SerialRegulator（特征：设有输出短路保护电路）如图8所示误差增幅器的基准电位与输出电位连接，形成浮动增幅型SerialRegulator。虽然电源变压器（transistor）必需使用误差增幅器专用的绕线，不过误差增幅器是由OP增幅器构成，因此非常适用于高电压Regulator。此外为避免输出短路时的大电力损失，因此保护电路具备倒V型特性。※T0-220封装的非绝缘型StepDownConverter（特征：无封装面积变大之虞，可将线性电源变成switching电源）三端子Regulator的损失若超过3W时，冷却片的面积会变得非常大，因此必需改用非线性而且效率极高较不易发热的switchingtypeDC-DCConverter，不过实际上由于DC-DCConverter使用的组件数量非常多，因此有可能造成封装面积过大等问题。如图9所示若使用与三端子Regulator同级的T0-220封装控制IC，就能获得输入电压为8-24V，输出5V，电流为3.5A的StepDownConverter。这种Converter最大特征是结构简单动作稳定，而且使用组件的数量非常少，因此不需刻意变更印刷电路板的pattern，或是担心封装面积变大等困扰，虽然价格稍为偏高不过SerialRegulator几乎网罗所有的规格。本电路是由外置的二极管（diode）、电容、线圈，以及设定电压的电阻所构成，只有电容比较特殊必需使用switching电源专用低阻抗（impedance）type。PQ1CG系列的产品几乎函盖拥所有电压、电流规格，从2.5V低输出电压到5A以下机型一应具全而且都已经商品化。表1是T0-220封装非绝缘型StepDownConverterIC的规格一览，表中的PQ1CG3032FZ第五根脚兼具softstart与ON/OFF功能，因此使用上非常方便。：VODJ输出电压调整端子；feedback：输出归返（return）端子VC；：位相补偿用端子ON/OFF：standby端子；：输入端子VIN；：输出端子VOUT；NS：国家半导体。表1T0-220封装的DC-DCConverter控制IC的规格※寻址StepDownConverter（特征：IC容易取得价格低廉）图10使用历史相当长久的StepDownConverter控制IC，它的输入电压为8-16V，输出电压为5V600MA。本Converter最大特点是价格低廉容易取得。图中的MC34063（OnSemiconductorCo）动作频率被设为45KHZ，因此线圈与电容器的外形可能会变大，不过只要印刷pattern设计得宜的话，上述问题对动作上尚不致构成困扰。必须注意的是类似新日本无线的NJM2360与NJM2374A，虽然是特性相同的IC，不过结构上却不相同，只有国家半导体的LM2574N-ADJ与Sunken的SAI01是寻址StepDownConverter用IC。※OnBoard电源用StepDownConverter（特征：封装面积小，操作简易的DC-DCConverter）图11是利用寻址控制IC构成封装面积很小的StepDownConverter，它的输入电压为6-16V，输出电压为5V450MA。图中的MAX738IC为8pin的DIP封装，输入端的积层陶瓷电容C2必需贴近IC的lead否则无法顺利动作。本IC的动作频率为160-170KHZ左右，因此周边的被动组件可以使用leadtype。电容的等价串联阻抗必需使用低于0.5欧的type；线圈的inductance为100UH或是33UH※效率95%的超小型StepDownConverter（特征：由5*5MM的控制IC构成）如图12所示超小型StepDownConverter，是由外型尺寸为5*5MM的IC与数个外置组件构成，本电路内建两个powerMOSFET属于同步整流type，它可以利用FBSEL端子的设定，使输出电压VOUT作1.51.82.5V三种切换。※可输出5-10V低噪讯DC-DCConverter（特征：适用于电池device等模拟电路电源）电池device的单电源，经常被要求必需能够提供OP增幅器的数个模拟电路正、电源，由于电流值相当低因此使用的组件数量相对很少。13是输入电压为5V，输出电压为10V的DC-DCConverter，图中的MAX865是8pin的μMAX封装内建CMOSchargepump的控制IC，它只要四个外置电容就可以1.5-6V输入电源，制作两倍的正负电压，由于本电路未使用线圈，所以峰值电位（spike）的噪讯（noise）非常低。chargepump的电容C1C2必需使用低等价串联阻抗，耐压超过16V以上的电容组件，因为加大容量时可以降低波动（ripple）电压提高效率。根据规格书（datasheet）的记载MAX865内部的输出阻抗，分别是正电压端为90欧，负输出为160欧（输入为5V时）。若流入5MA的负载电流时，正电压端会产生0.45V的电压下降，负电压端则产生0.8V的电压下降，要求无电压变动的电路可以采用MAX865并联连接，或是改用MAX743type。此外V-电路的负载电流较大时，基于保护电路等考虑，可以将shotkeybarrier二极管连接于V-端子与GND端子（第4pin）之间。。※可输出+5----5V的DC-DCConverter（特征：可辅助正电源系统得负电源需求）小型量测设备经常会有负电源需求，如果不需大电流容量时，可以使用chargepump的极性反转Converter。图14的DC-DCConverter可以使5V的极性反转，同时输入–5V50MA的电力，图中的MAX860是8pin表面封装type控制IC；表2是表面封装type控制IC的规格一览。上述Converter的动作频率可设定成6K50K130K三种形式，无小型化要求时可将VC端子与输出端连接设定成130K，同时使用低容量的小型电容。图14的设定值为50KHZ，输入电压范围为1.5-5V，输出阻抗为12，最大负载电流为50。如果希望利用负载降低电压时，可将MAX860并联连接。表2极性反转型StepDownConverter控制IC的规格※可使电池电压上升的StepUpConverter（特征：电池能量100%发挥）使用二次电池驱动的可携式电子产品，要求即使电池电压下降亦能长时间动作，因此出现可将5V的电池电压StepUp，输出200MA的Converter（图15）。如表3所示具备上述功能的IC种类非常多，由于这类IC大多具有shutdown端子（pin），因此可用logiclevel控制输出的ON/OFF。此外即使shutdown输出与输入也不会连通线圈，使得输入电压（电池电压）直接被输出。要求大电流的场合（case）建议改用流入线圈的峰值电流极小，而且又是固定频率的PWMtypeMAX1700IC。表3StepUpConverter控制IC的规格※高电压StepDownConverter（特征：无变压器可使100-400V直流电压转换成15V）如图16所示本StepDownConverter可将100V以上高电压转换成15V，由于本电路未使用变压器就可以获得低电压，因此使用上非常方便。设计规格如下所示：DC输入：100-400V。DC输出：15V200MA。由于控制端子的电压高达5.7V，所以输出电压无法低于5.7V，输出电压VOUT可以从ZenerVZV二极管的电压求得：VOUT=VZ+5.7图中的MIP0222SY与powerMOSFET同样是三端子控制IC，内建有switching电源必需具备的所有功能，因此只需利用该IC就可以用简易的电路，形成高电压用StepDownConverter，值得一提的是与同等级的产品有PowerIntegration公司开发的TOP222Y；以外的同等级组件基本上可以从其它公司的产品型录中寻得。为了抑制线圈L1波动（ripple）电流，因此线圈必需大于必需1MH，在L1流动的最大电流值则是根据IC1的最大电流规格设定成500MA。当IC1为ON时输入电压会流入D1D2，因此必需选用耐压超过400V的组件，此处考虑延迟（delaying）时间所以选用耐压600V的type，若是要抑制switching损失的话，就必需使用高速、高效率、低损失的的二极管。如上所述由于输入电压非常高，所以波动电流也很高，此处为降低输出波动电压，所以输出电容必需尽量挑选低等价串联阻抗的type。※MemoryBackup电源电路（特征：即使系统电源OFF时，电源持续提供电力至内存）如果PC使用简易系统的话，一旦电源OFF时的内存电力也会一并被切断，造成储存于内存（Memory）内部的数据面