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1、 数字运算电源电路设计.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（shunt regulator）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PC1093，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。 输出电压可变的高精
2、度基准电源电路（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TPS60403 IC可使 的电压极性反转
3、。 40V最大输出电压的Serial Regulator（特征：可以输出三端子Regulator IC无法提供的高电压）虽然三端子Regulator IC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disk lead等组件整合。图5的Serial Regulator最大可以输出+40V 的电压，图中 D2 Zener二极管的输出电压被设定成一半左右，再用R7 VR1 R8 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R7 R8 若太大的话，会引发输出电压噪声上升与波动等问题；反R7 R8之若太小的话，会有发热耗损电力之虞，因此一般以R7 R8
4、 2-5K 比较合适。输出电压为 40-80的Serial Regulator（特征：利用disk lead组件输出高电压）图6是可以输出电压为40-80 的Serial Regulator，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
5、高电压Serial Regulator（特征：设有输出短路保护电路） 如图7所示本Serial Regulator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Serial Regulator（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Serial Regulator。虽然电源变压器（transistor）必需使用误差增幅
6、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Step Down Converter（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switching type DC-DC Converter，不过实际上由于DC-DC Converter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Regulato
7、r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Step Down Converter。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Serial Regulator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
8、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Step Down Converter IC的规格一览，表中的PQ1CG3032FZ第五根脚兼具soft start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1 T0-220封装的DC-DC Converter控制IC的规格 寻址Step Down Converter（特征：IC容易取得价格低廉）图10使用历史相当长久的Step Down
9、 Converter控制IC，它的输入电压为8-16V ，输出电压为 5V 600MA。本Converter最大特点是价格低廉容易取得。图中的MC34063（On Semiconductor Co）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Step Down Converter用IC。 On Board电源用Step Down Co
10、nverter（特征：封装面积小，操作简易的DC-DC Converter）图11是利用寻址控制IC构成封装面积很小的Step Down Converter，它的输入电压为6-16V ，输出电压为 5V 450MA。图中的MAX738 IC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lead type。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Step Down Converter（特征：由5*5
11、MM 的控制IC构成）如图12所示超小型Step Down Converter，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power MOSFET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1.5 1.8 2.5V 三种切换。 可输出5-10V 低噪讯DC-DC Converter（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-DC Converter，图中的MAX
12、865是8 pin的MAX封装内建CMOS charge pump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。charge pump的电容C1 C2 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
13、降，要求无电压变动的电路可以采用MAX865并联连接，或是改用MAX743 type。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shot key barrier二极管连接于V- 端子与GND 端子（第4 pin）之间。 。可输出+5- -5V 的DC-DC Converter（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charge pump的极性反转Converter。 图14的DC-DC Converter可以使5V 的极性反转，同时输入 5V 50MA的电力，图中的MAX860是8 pin表面封装type控制IC；表2
14、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6K 50K 130K 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Step Down Converter控制IC的规格可使电池电压上升的Step Up Converter（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
15、压Step Up，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shut down端子（pin），因此可用logic level控制输出的ON/OFF。此外 即使shut down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PWM type MAX1700 IC。 表3 Step Up Converter控制IC的规格 高电压Step Down Converter（特征：无变压器可使100-400V 直流电压转换成15V ）如图16所示本
16、Step Down Converter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：15V 200MA 。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ZenerVZ V二极管的电压 求得： VOUT=VZ+5.7图中的MIP0222SY与power MOSFET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Step Down Converter，值得一提的是与 同等
17、级的产品有Power Integration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D1 D2 ，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
18、选低等价串联阻抗的type。 Memory Backup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）内部的数据面临全毁的厄运。图17是电源OFF时仍旧可以维持SRAM电力的电路，当电源ON时镍氢二次电池进行充电动作，电源OFF时二次电池便自动释放电力。由于SRAM动作时的电源电压超过4.5V 以上无法将TR1 变更成二极管，所以利用VDROP 很小的PNP晶体管（transistor）构成switch。当电源OFF时SRAM的CE2 会变成L level成为待机状态。 World
19、 Wide输入，三频输出简易型Switching电源（特征：利用内建Power MOSFET的单芯片控制IC获Switching电源）图18是数字、模拟混载系统用输入World Wide/三频输出，绝缘型Switching电源电路，它适用于10-45W 的device。本电源电路主要规格如下：AC输入： 85-264VDC输出1： 15V 1.5ADC输出2： -15V 200MADC输出3： 5V 3A图中的MIP0224SY控制IC内建有switching电源必需具备的所有功能，此外本IC采用与Power MOSFET相同的三端子（pin）封装，动作上则属于一般电压模式（mode）fly
20、back converter，因此内建于输出段的Power MOSFET drain耐压高达700V。使用MIP0224SY时只需注意耐压问题，就可以轻易获得制作上非常繁琐的绝缘型Switching电路。变压器的设计是最棘手的一环，建议读者利用Power Integration公司的网页，下载设计用Excel sheet就可以轻易设计变压器。必需注意的是绝缘距离，尤其是适用的安全规范会随着用途有很大的差异，图18的电路是根据IEC60905规范设计。此外与市面上有许多与IC1 同等级的控制IC，例如Power Integration公司的TOP224Y就是典型代表，若使用TOP224Y的话就可
21、以制作180W 的fly back converter。 图18 World Wide输入的Switching电源(输入85 246V: ,DC输出1 15V 1.5A: ，DC输出2:-15V 200MA ，DC输出3:5V 3A )输出 5V 1.5A的Step Down Converter（特征：利用免费web tool轻松设计周边组件）图19是利用monolithic switching regulator IC LM2576T-5.0，制作可输出5V 1.5A 的Step Down Converter，该Converter非常适用于利用24V 电源驱动 5V CPU主板等领域。有关L
22、1 C2 、 的最适值以及D1 的峰值电流，建议读者利用National Semiconductor公司的网页，下载WEBENCH design program的免费tool就可以轻易计算。该网页除了组件定数之外同时还会教导有关IC与二极管的具体名称，以及温度与动作的仿真分析与pattern的设计。必须注意的是L1 若不选择特洛伊酒桶型core无间隙type，或是类似pot core兼具磁气shield功能的组件时，强大的磁气噪讯（noise）可能会四处扩散；此外图中的C2 主要工作是频繁的充放电，因此必 须使用低ESR、抗ripple的电容。 输入World Wide，输出100W的改良型电
23、路（特征：AC输入电流的高频波电流低于规范值）图20是World Wide输入的改良型电路，该电路主要功能是将 输出的绝缘型Converter整流电路，置换并符合高频波规范值。本电路的设计规格如下：AC输入：85 -264V DC输出： 390V 300MA本电路属于电流间断型，因此非常适合应用于200W 以下低输出电源等领域。由于电感（inductance）LB 的电流间断流动，因此转流二极管的逆回复损失的影响很小，其结果连带造成switching损失与辐射噪讯也随着降低。此外最大电流是输入电流峰值的二倍以上，所以成为选择LB与Power MOSFET TR1 时的主要考虑因素。LB 在B-
24、H curve呈巨大的minor loop，因此必需使用低铁损的ferrite core，此外core要求很大间隙（gap），从该部位散发的磁束动乱，会造成卷线涡卷电流损失变大，所以必需使用编织线（litz wire）加以隔绝。本电路的动作为电流模式（mode），所以内建有过电流保护单元，问题是过电压保护，尤其是与第一pin连接的输出电压分压电阻，一旦open或是短路的话，输出会立刻变成高电压，而电容则遭到破坏，因此过电压保护单元使用TA76431S IC。虽然同等级的FA5500/FA5501（富士电机）具备完整的过电压保护对策，不过由于检测level太高，反而造成必需使用耐压超过450V
25、的平整电容的后果。事实上并无与上涨 IC1功能完全的同等级产品，而功能性的代替品同时也是业界标准品，分别有MC33261、FAN7527B、L6561、NJM2375等等可供选择。 锂离子二次电池的充电电路（特征：以USB界面为电源）如果USB接口具备5V 500MA 的话，就能当作便利的电源使用，反之若超过500mA时，USB内部的breaker就会开始动作。图21是利用TI的bq24010 IC，串联构成锂离子二次电池的充电电路，该电路是以USB接口当作电源，因此系统一旦起动后电池的电压若低于4V 时，就会开始自动充电。最大充电电流I 可以利用REST 设定，为符合USB的规格，因此 RS
26、ET被设定成1.68K ， I则被设定成 498MA。最大充电保留温度与最低充电保留温度，则分别利用电阻 RT1与 RT2设定成 60度与0度 。图22是上述充电电路与USB接口连接时，锂离子二次电池实际充电的特性。 两镍氢电池串联的充电电路（特征：以USB界面为电源）图23是以USB为电源的两cell镍氢电池串联的充电电路，充电时电压若低于2.5V 时，会被视为满溢充电进而停止充电。Timer会以最大充电时间160分动作，当电池达60度 时就会停止充电。快速充电结束后会以C/32进行160分的补充电，接着再以C/64无期限持续进行pulse trickle充电。充电器利用 -或是 检测出满溢
27、充电时，每单位电池cell的充电电压会变成1.6V左右，由于主电源为5V因此本电路若三电池cell串联充电的话，就会显得相当吃力。图24是本电路的实测充电特性，由图可知两cell镍氢电池串联时的最大充电电压会上升至3V，由于单cell电池为1.5V所以三cell电池串联时的最大充电电高达4.5V。必 须注意的是系统内若设有上述电路的话，会因系统的驱动电流与布线阻抗产生噪讯，进而造成错误检测成满充电信号，为防止这类现象发生，因此必需将signal ground（S.GND）与power ground（G.GND）分开布线。 小容量简易绝缘电源电路（特征：利用Timer IC 555驱动绝缘变压器
28、）图25是可应用于感测（sensor）的小容量绝缘电源电路。驱动 TR1的ON/OFF时间可用R1 R2 电阻调整，当R1=R2 时，理论上IC会输出50%的duty cycle矩形波，然而实际上有 TR1 OFF时的延迟，因此必需作微调。若从脉冲变压器的ET积求取TR1 的最大ON时间，就可以决定switching频率与必要的ON/OFF时间。ON的时间是由C1 与C3 决定。输出电压H时的充电时间 ，与L时的放电时间 可利用下式求得： Flash Memory写入用电源（特征：OFF时电源line被ground short）图26是可以输出Flash Memory改写内容时，必要的 12V
29、直流电压的电源电路。写入控制信号为H时，输出VOUT 变成0V ，写入控制信号为L时，输出VOUT 变成11.8V ，未写入期间为提高噪讯耐性，所以将电源线与ground短路（short） ，VOUT 的升降则是利用控制输入端子控制。如果控制输入端子变成 5V的话，线性regulator M5237L的电压监控（monitor）输入（第三pin）电压会超过1.5V 以上，M5237L为阻止电流的吸入会将TR1 关闭（OFF），TR2 呈ON状使VOUT 与ground短路。如果控制输入端子为0V 时，上述第三pin的电位会变成1.26V并将电流吸入，当 TR1开启（ON），TR2 关闭（OFF）时， 就变成12V 。 http:/