【導讀】常用的變壓器降壓、整流濾波后穩(wěn)壓的線性電源,在嵌入式系統(tǒng)要求體積小,利用率高的情況下,顯得不足。尋求體積小、效率高、成本低、可靠性好的開關電源成為一種迫切的需要。本文根據(jù)實際應用中的體會,以小功率單片開關電源集成電路FSD200為核心,設計并實現(xiàn)了一款適合嵌入式系統(tǒng)需求的小功率開關電源。
系統(tǒng)原理
在很多工業(yè)控制領域的嵌入式系統(tǒng)中,輸入通常為220V的交流市電,而系統(tǒng)中需要多路直流電源驅(qū)動功率器件和微處理器系統(tǒng)。一個典型的開關電源的原理結構框圖如圖1所示,電網(wǎng)的中220V交流電首先經(jīng)過整流電路,饋送到FSD200。
圖1:嵌入式中小功率多路開關電源的原理框圖
該器件的輸出通過變壓器隔離耦合后,穩(wěn)壓輸出12V直流,其大小可以通過改變穩(wěn)壓電路部分來實現(xiàn)。電壓輸出端由TL431精密穩(wěn)壓器和線性光耦組成一個反饋回路,控制FSD200中的脈寬調(diào)制比例,實現(xiàn)開關電源的穩(wěn)定輸出。得到12V的直流電壓后,可以通過DC/DC變換器,得到系統(tǒng)需要的5V、3.3V和2.7V等所需電源。
FSD200結構原理
FSD200是Fairchild公司近年推出的小功率單片開關電源集成電路,輸出功率7W,內(nèi)部集成了PWM控制及功率MOS管,并有過熱保護、過負荷保護、欠壓鎖存、軟起動、電流限制等功能,其獨特的頻率抖動電路能較好地減弱電磁干擾。
FSD200單片開關電源的內(nèi)部框圖如圖2所示。
圖2: FSD200內(nèi)部功能原理框圖
FSD200單片開關電源啟動時,直流高壓電源通第8引腳Vstr進入芯片內(nèi)部的高壓調(diào)節(jié)器,再穩(wěn)壓到7V作為芯片的工作電壓U cc,同時以約100μA的電流源向參考電壓及欠壓鎖存模塊充電。第5引腳V c c的外接電容一般選在1 0 ~ 4 7 μ F , 這種方式省去了通常開關電源須采用反饋線圈提供工作電壓的需要。
FSD200是電壓控制模式器件,與典型的開關電源電路一樣,采用線性光耦PC817與可調(diào)式精密穩(wěn)壓器TL431組成高頻變壓器二次側(cè)的電壓反饋網(wǎng)絡。當負載變化引起輸出電壓變化時,反饋網(wǎng)絡將信號回饋至第4引腳Vfb,與振蕩器送出的鋸齒波比較,產(chǎn)生相應的PWM波脈寬的變化,最后使高頻變壓器二次側(cè)的輸出電壓穩(wěn)定,完成反饋控制。
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TL431結構原理
TL431是美國德州公司開發(fā)的一個有良好熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)精密電壓基準集成電路。它有三個引出腳,其中,K為控制端,A為接地端,R為取樣端。它由多級放大電路、偏置電路、補償和保護電路組成,在原理上它是一個單端輸入、單端輸出的多級直流放大器。其等效功能框圖如圖3,由一個2.5V的精密基準電壓源、一個電壓比較器和一個輸出開關管等組成。
圖3: TL431等效功能框圖
參考端R的輸出電壓與2 。 5V的精密基準電壓源相比較,當R端電壓超過2.5V時,TL431立即導通,反之截止。
單片TL431的電壓基準如同低溫系數(shù)齊納管一樣運行,通過2個外部的電阻可以實現(xiàn)從2.5V到36V的穩(wěn)定輸出。典型的應用電路如圖4所示。
圖4 :TL431的典型應用電路
當R 1和R 2的阻值確定時,兩者對U o的分壓引入反饋。若U o增大,反饋量增大,TL431的分流也就增大,從而又使U o下降。顯然,這個深度的負反饋必然在參考點的電壓等于基準電壓處穩(wěn)定。
穩(wěn)壓值可以通過下面的簡化公式進行計算:
應用電路
圖5是采用FSD200設計的一種微型小功率單片開關電源的典型電路。
圖5:基于FSD200的小功率開關電源應用電路
圖中采用的是典型的反激式功率變換電路。
這種電路不需要額外的電感存儲能量,圖中的變壓器可以同時實現(xiàn)直流隔離、能量存儲和電壓變化的功能。電路中采用了可調(diào)式精密穩(wěn)壓器TL431作為12V輸出的誤差放大器,再與線性光耦PC817組成隔離式反饋電路。當12V輸出電壓發(fā)生波動時,經(jīng)R 41和R 42分壓后得到的采樣電壓與TL431中的2.5V基準電壓比較,并在陰極上形成誤差電壓,使光耦中的發(fā)光二極管電流I F產(chǎn)生相應的變化,光耦副邊的光敏三極管的I C也相應變化,由此調(diào)節(jié)FSD200輸出的占空比,最后使輸出的12V直流電壓不變,達到穩(wěn)壓的目的。
長期以來,1 0W以下的小功率穩(wěn)壓電源方案,成本較高、線路復雜。采用FSD200單片開關電源集成電路設計的開關電源線路簡單,工作可靠,體積小、效率高、成本低。在實際中可以廣泛使用在需要220V交流輸入,要求體積小、成本低的微型小功率的嵌入式系統(tǒng)中。