如何從降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生輔助電源

鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1222次 | 2019年11月08日

很多應(yīng)用中，除主電源之外通常還需要一個低功率電源。例如：模擬前端放大器需要5V電源供電，而數(shù)字主電路只需+5V電源?；诔杀尽⑽锪瞎芾硪约癊MC等因素的考慮，單獨(dú)增加一路-5V電源不是很合適。因此，需要尋找一種可以從主電源產(chǎn)生輔助電源的方法。

為解決上述問題，可以用一個降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)操作產(chǎn)生一路或多路、隔離的或非隔離的電源輸出。從主電源獲取10％～30％的輔助電源輸出電流是完全可行的，本文將通過MAX5035DC／DC轉(zhuǎn)換器說明具體的實(shí)現(xiàn)方案。

降壓波形

首先回顧一下降壓轉(zhuǎn)換器的工作波形，確定用來產(chǎn)生輔助輸出的電壓和電流，參見圖1。

LX引腳的開關(guān)電壓波形幅度為：

開關(guān)管導(dǎo)通期間(LX和VIN相連)，主電感兩端的電壓為：

連續(xù)電感電流工作模式

開關(guān)管斷開時，LX端電壓為負(fù)，二極管D1導(dǎo)通，保證電感電流是連續(xù)的。在流過D1的電流變?yōu)?之前，開啟下一個開關(guān)周期，則稱該種工作模式為連續(xù)模式(見圖2)。

了解了各個關(guān)鍵元件的RMS電流和電壓之后，功耗可由下式計算得到：

輔助輸出

通過在一個降壓主電源的電感上添加輔助線圈，可以在主電源上產(chǎn)生輔助輸出。輔助輸出取決于鉗位肖特基二極管(圖1中的D1)導(dǎo)通時，主電感的反激動作。因?yàn)槎O管的導(dǎo)通壓降相對比較穩(wěn)定(典型值為300mV～500mV，視電流大小而定)，并且控制器調(diào)節(jié)輸出電壓保持相對恒定，所以在開關(guān)斷開期間，電感兩端的壓降也相對穩(wěn)定。為了讓電感壓降保持穩(wěn)定，在整個主降壓電源的負(fù)載范圍內(nèi)，主電感都應(yīng)該保持連續(xù)導(dǎo)通模式。

LX引腳也可用來為電荷泵電路提供開關(guān)輸入。為保持該輸入穩(wěn)定，需要輔助輸出時，LX引腳必須處于有效狀態(tài)。通過讓主電源降壓轉(zhuǎn)換器保持給一個最小負(fù)載供電，就可以使LX始終處于有效狀態(tài)。

電感選擇

通過三個參數(shù)確定主電感值：電感兩端的電壓、工作頻率以及電感的紋波電流。綜合考慮這三個參數(shù)，可以保證有足夠的能量存儲到電感中。電感最小值由最大占空比和最小輸入電壓共同決定：

紋波電流表示為輸出電流的百分?jǐn)?shù)，MAX5035的紋波電流定義為30％。注意，紋波電流決定了進(jìn)入斷續(xù)工作模式前的最小負(fù)載電流。由于輔助電源會增加開關(guān)管的峰值電流，所以一定要小心設(shè)置輔助電源的限流。對于大多數(shù)應(yīng)用，評估(EV)板上輸出濾波器的標(biāo)準(zhǔn)沒置(100μH和68μF)比較合適。這些值也可用于輔助電源。MAX5035內(nèi)部有一個固定的、III型補(bǔ)償電路，從而限制了輸出電容的選擇。選擇ESR使零點(diǎn)位于20kHz～40kHz之間，更多信息請參考MAX5035數(shù)據(jù)手冊的應(yīng)用部分。

由主電感變壓器產(chǎn)生輔助輸出

在開關(guān)管斷開期間，由于初級側(cè)肖特基二極管的壓降相對穩(wěn)定(典型值為300mV～500mV，視電流大小而定)，并且控制器調(diào)節(jié)輸出電壓保持相對恒定，所以電感兩端的壓降也相對穩(wěn)定。連接次級側(cè)的整流管和電容，使導(dǎo)通發(fā)生在反激期間(二極管導(dǎo)通時)，讓能量可以從主電感里釋放出來。圖3a和圖3b顯示了2種不同的連接方式，來實(shí)現(xiàn)輔助線圈與主降壓電源的隔離。圖3a顯示了輔助輸出以零電壓為參考的情況，圖3b顯示了輔助輸出以主電源正輸出為參考的情況。

輔助輸出電壓計算如下：

N1是初級側(cè)的線圈匝數(shù)，N2是次級側(cè)的線圈匝數(shù)。

由于內(nèi)部LX開關(guān)斷開時，D2導(dǎo)通，所以圖3中的輸出與輸入電壓的變化無關(guān)。在開關(guān)管的最大導(dǎo)通時間內(nèi)，電容C7應(yīng)當(dāng)能夠維持輸出。由于D1的正向?qū)▔航惦S溫度和負(fù)載電流的變化而有所變化，因此次級輸出具有2％～3％的波動。變壓器N1和N2相互之間足直流隔離的，所以輔助輸出可以參考于任何一個直流電壓。

對于一個給定的電感值，輔助輸出的次級電源受限于主電源初級回路中的不連續(xù)電流。簡單來說，就是在反激結(jié)束的時候，D1必須保持導(dǎo)通。在斷續(xù)工作模式下，二極管D1中的電流變?yōu)榱悖琇X端的電壓將在一個由輸出電感和在LX節(jié)點(diǎn)處的總寄生電容決定的頻率下產(chǎn)生衰減“振鈴”。

在內(nèi)部LX開關(guān)由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷時，次級負(fù)載會導(dǎo)致初級電流的改變。圖4所示的電流變化可由下式計算得到：

IXTRA=pSEC(DVLX)

D=占空比

pSEC=次級電源

VLX=LX的峰值電壓變化

理論上，可以靈活選擇匝數(shù)比。然而實(shí)際應(yīng)用中，具有適當(dāng)?shù)碾姼兄岛头逯惦娏鞯臉?biāo)準(zhǔn)1：1變壓器，是匝數(shù)比選擇中經(jīng)常用到的。

請注意負(fù)載是如何影響初級側(cè)電流紋波變化的。圖4中的粗線簡單描繪了主電感電流的波形隨輔助輸出的變化而變化的情況。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：能夠產(chǎn)生正電源或負(fù)電源輔助輸出；隔離輔助輸出，可以是以地或主電源為參考的正輸出；電感值由主降壓電源設(shè)定。缺點(diǎn)是：初級紋波電流的增大，提升了不連續(xù)電流的起點(diǎn)；輔助輸出需要有最小負(fù)載；主電源的正輸出要求有一個最小負(fù)載，以維持LX的開關(guān)動作。除此之外，還可以選擇電荷泵或SEpIC架構(gòu)產(chǎn)生輔助電源。

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