高压负电源的设计及应用
高压负电源的设计及应用
slic是一个可以构成模拟电话接口,具有摘机/挂机信号传送、铃声产生、铃流检测等功能,在传送摘机信号时需要-24v电压,而在产生铃声信号时,只需要-72v电压,对于ip电话或路由器,slic一般需要-48v电压,而对于xdsl线路驱动需要-5v和-15v电压,无线公用电话可能需要-24v和-48v电压,所有这些应用电源设计均可以使用mac1856同步pwm控制器得到一个低成本的设计方案。
2 max1856的工作原理和特点
max1856内含低压差线性稳压器（ldo）,内部所有电路均由内置稳压器供电,最大输入电压可达28v,内部稳压器最小压差为200mv,只要ldo输出电压高于2.7v,内部电路就可以工作,所以max1856的最小输入电压为3v,ldo最大输出电流为12ma,如果外部fet的栅极驱动电流较小,则ldo也要用于其它电路供电。max1856内含电流模式pwm控制器,因此使用反激控制结构产生负的高压电源非常理想,其内部多输入比较器可以同时处理输出误差信号、电流检测信号以及斜率被偿信号。在pwm模式时,max1856使用固定开关频率,在轻负载时,max1856进入空闲模式以提供更高的效率。
max1856具有内部软启动特性,因而可以防止过流,并允许选用较小的输入电容。max1856的工作频率可以设置在100khz到500khz之间,对于低噪声应用,也可以采用外部时钟同步工作模式。
3 slic电源设计
图1是为slic设计的电源电路,它的输入电压为12v,其中一路输出-24v/400ma,另外一路为-72v/100ma,通过改变外部分压电阻可对两路输出电压进行调节。
3.1 设置工作频率和输出电压
max1856的工作频率由管脚freq对地之间的电阻rosc来决定,rosc一般为50mω/fosc,如果选择250khz的工作频率,则rosc=200kω。工作频率越高,rosc可以越小,这样,峰值电流和电阻损耗也会越少,但同时会增大开关损耗、磁芯损耗,并将使栅极驱动电流增大。
fb管脚在输出端和ref引脚之间的分压电阻决定输出电压的大小。vout=vref r1/r3.对于双输出电压分别调整的情况,由于反馈电压门限为0,流入fb引脚的总电流是itotal=ir1+ir2=vref/r3。因为反馈电阻连接到ref,所以itotal必须小于400μa,选择r3可使得itotal位于200μa和250μa之间,一般可选r3为5.11kω。为了保证两个输出的精度相同,应使ir1/ir2=pout1/pout2,其中pout1和pout2分别为24v/400ma和72v/100ma。这样,可使ir1=4ir2/3。从上面的式子求得ir1和ir2后,r1和r2位于由下式求得：r1=vout1/ir1=174kω,r2=vout2/ir2=68kω。
3.2 选择变压器和mosfet
变压器匝数比是输入输出电压比和占空比的函数,在占空比为50%,输入为12v,输出为-72时,需要有1：6的匝数比,在输出为-24v时,匝数比np:ns为1：2,所以变压器的匝数比是1：2：2：2。
整个电路的最大输出功率为最大输入功率与转换效率（e）的乘积。而转换效率（e）则是电阻损耗、变压器损耗、mosfet导通电阻损耗、输入输出电容以及开关损耗的函数,一般可以假设r的典型值为80%。而最大输入功率是检流电阻、输入电压、输出电压、电感值、变压器匝数比（np:ns）和开关工作频率的函数。具体的计算公式可参考以下各式：
pin(max)=vind(vcs/pcs-vind/(2foscl)
d=npvout/(npvout+nsvin)
在最大负载电流时,其iin=voutiout(max)/vin(min)e。式中,e是转换效率,选80%,vout=24v iout(max)=400ma,vin（min）=10.8v,这个平均输入电流为1.11a,对于52.5%的占空比,平均开关电流就是2.114a,选择初级电感波动电流△ilo 40%,则初级电感为：
lp=vind/(△ilfosc)
其中△il=0.4×2.114=0.846a,fosc=250khz,所以lp=27μh时,初级峰值电流为2.5a。
由于受max1856内部ldo输出最大值（5v）的限制,外部功率开关需选择逻辑电平驱动的n沟道nosfet,在输入电压低于5v时,可选择vgs为2.7v或更低的n沟道mosfet。另外还需考虑其它特性指标,如：栅极电荷qg、导通电阻rds、最大漏源电压vds和最小门限电压vth。对于ir公司的irll2705,其qg为17nc(vgs=5v),所以栅极驱动电流为：
igate=qgfosc=8.5ma
式中：fosc为500khz
3.3 选择检流电阻以及输入输出电容和二极管
电感峰值电流确定后,检流电阻由下式确定。
rcs=vcs/ilpeak=85mv/ilpeak=33mω
为了避免电流检测比较器受噪声干扰,rcs和cs管脚之间应连接100ω电阻、cs引脚与gnd之间应接1000pf的滤波电容。
整流二极管应选用高速、快恢复肖特基二极管,平均电流应满足以下要求：
id=iout（1+vout np/(ns vin)）+△il np/(2ns)
同时关断电压要大于vout。
输入输出电容的串联等效电阻（esr）应比较低。
3.4 消振电路设计
max1856可利用电流感应电阻来实现电流模式的控制,当开关导通时,max1856有100ns的浮空周期来减少噪声干扰。然后此时次级电感和输出二极管电容将形成振荡电路,并将反射回原边加到电流检测电阻上,其时间会超出100ns,从而导致噪声干扰。图1中r4和c3可以快速消振,消振电路的时间常数必须小于100ns,r4应满足50ns/c3。
4 无线终端的电源设计
图2所示是一种无线公用电话的电源电路,该电路也可以作为无线wll终端的电源电路。若无线终端的供电电源是12v太阳能电池,则输出要求第一路为24v/200ma,另一路为-48v/100ma,第三路为5v/500ma。
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max1856内含低压差线性稳压器（ldo）,内部所有电路均由内置稳压器供电,最大输入电压可达28v,内部稳压器最小压差为200mv,只要ldo输出电压高于2.7v,内部电路就可以工作,所以max1856的最小输入电压为3v,ldo最大输出电流为12ma,如果外部fet的栅极驱动电流较小,则ldo也要用于其它电路供电。max1856内含电流模式pwm控制器,因此使用反激控制结构产生负的高压电源非常理想,其内部多输入比较器可以同时处理输出误差信号、电流检测信号以及斜率被偿信号。在pwm模式时,max1856使用固定开关频率,在轻负载时,max1856进入空闲模式以提供更高的效率。
max1856具有内部软启动特性,因而可以防止过流,并允许选用较小的输入电容。max1856的工作频率可以设置在100khz到500khz之间,对于低噪声应用,也可以采用外部时钟同步工作模式。
3 slic电源设计
图1是为slic设计的电源电路,它的输入电压为12v,其中一路输出-24v/400ma,另外一路为-72v/100ma,通过改变外部分压电阻可对两路输出电压进行调节。
3.1 设置工作频率和输出电压
max1856的工作频率由管脚freq对地之间的电阻rosc来决定,rosc一般为50mω/fosc,如果选择250khz的工作频率,则rosc=200kω。工作频率越高,rosc可以越小,这样,峰值电流和电阻损耗也会越少,但同时会增大开关损耗、磁芯损耗,并将使栅极驱动电流增大。
fb管脚在输出端和ref引脚之间的分压电阻决定输出电压的大小。vout=vref r1/r3.对于双输出电压分别调整的情况,由于反馈电压门限为0,流入fb引脚的总电流是itotal=ir1+ir2=vref/r3。因为反馈电阻连接到ref,所以itotal必须小于400μa,选择r3可使得itotal位于200μa和250μa之间,一般可选r3为5.11kω。为了保证两个输出的精度相同,应使ir1/ir2=pout1/pout2,其中pout1和pout2分别为24v/400ma和72v/100ma。这样,可使ir1=4ir2/3。从上面的式子求得ir1和ir2后,r1和r2位于由下式求得：r1=vout1/ir1=174kω,r2=vout2/ir2=68kω。
3.2 选择变压器和mosfet
变压器匝数比是输入输出电压比和占空比的函数,在占空比为50%,输入为12v,输出为-72时,需要有1：6的匝数比,在输出为-24v时,匝数比np:ns为1：2,所以变压器的匝数比是1：2：2：2。
整个电路的最大输出功率为最大输入功率与转换效率（e）的乘积。而转换效率（e）则是电阻损耗、变压器损耗、mosfet导通电阻损耗、输入输出电容以及开关损耗的函数,一般可以假设r的典型值为80%。而最大输入功率是检流电阻、输入电压、输出电压、电感值、变压器匝数比（np:ns）和开关工作频率的函数。具体的计算公式可参考以下各式：
pin(max)=vind(vcs/pcs-vind/(2foscl)
d=npvout/(npvout+nsvin)
在最大负载电流时,其iin=voutiout(max)/vin(min)e。式中,e是转换效率,选80%,vout=24v iout(max)=400ma,vin（min）=10.8v,这个平均输入电流为1.11a,对于52.5%的占空比,平均开关电流就是2.114a,选择初级电感波动电流△ilo 40%,则初级电感为：
lp=vind/(△ilfosc)
其中△il=0.4×2.114=0.846a,fosc=250khz,所以lp=27μh时,初级峰值电流为2.5a。
由于受max1856内部ldo输出最大值（5v）的限制,外部功率开关需选择逻辑电平驱动的n沟道nosfet,在输入电压低于5v时,可选择vgs为2.7v或更低的n沟道mosfet。另外还需考虑其它特性指标,如：栅极电荷qg、导通电阻rds、最大漏源电压vds和最小门限电压vth。对于ir公司的irll2705,其qg为17nc(vgs=5v),所以栅极驱动电流为：
igate=qgfosc=8.5ma
式中：fosc为500khz
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id=iout（1+vout np/(ns vin)）+△il np/(2ns)
同时关断电压要大于vout。
输入输出电容的串联等效电阻（esr）应比较低。
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max1856可利用电流感应电阻来实现电流模式的控制,当开关导通时,max1856有100ns的浮空周期来减少噪声干扰。然后此时次级电感和输出二极管电容将形成振荡电路,并将反射回原边加到电流检测电阻上,其时间会超出100ns,从而导致噪声干扰。图1中r4和c3可以快速消振,消振电路的时间常数必须小于100ns,r4应满足50ns/c3。
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