便攜式B超系統(tǒng)內(nèi)部使用的電源比較復(fù)雜,外部適配器和電池的電源必須經(jīng)過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換,以轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)需要的電壓。為了降低電源上的無(wú)用消耗,提高電池使用效率,系統(tǒng)主板、B超控制板、液晶顯示器以及鍵盤(pán)的電源采用開(kāi)關(guān)電源供電。
便攜B超電源的整體設(shè)計(jì)
圖1為便攜B超電源的整體設(shè)計(jì)方框圖。便攜B超電源輸入電壓有兩種:一是電源適配器輸入,電壓為18V,二是電池輸入,電壓為14.4V。要求實(shí)現(xiàn)兩種電壓之間的熱切換,并在切換電壓時(shí)不影響系統(tǒng)工作,即提供外電和電池供電無(wú)延時(shí)熱切換功能。需要輸出±12V、5V、3.3V、±48V等幾種電壓,具體指標(biāo)為12V/2.5A、-12V/0.5A、5V/4A、3.3V/3A、+48V/80mA、-48V/80mA。具有單鍵開(kāi)關(guān)機(jī)功能,即無(wú)電時(shí),按電源鍵打開(kāi)電源;在有電時(shí),按電源鍵向控制面板發(fā)送關(guān)機(jī)信號(hào),上位機(jī)還可以通過(guò)軟件關(guān)機(jī)(即支持ATX關(guān)機(jī)指令)。電源輸出接口采用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)ATX接口。
圖1 便攜B超電源整體設(shè)計(jì)方框圖
電源切換電路的設(shè)計(jì)
便攜B超電源切換電路如圖2所示,在外接電源適配器時(shí),電壓輸入交流18V,經(jīng)VD100、VD101二極管后,再經(jīng)R100、R107分壓加到N100A(LM193)電壓比較器的3腳(同相端)。電池輸入電壓是14.4V,經(jīng)R101、R108分壓后加到N100A(LM193)電壓比較器2腳(反相端)。由于3腳電壓高于2腳,因此N100A(LM193)1腳輸出高電平,使三極管V100導(dǎo)通,V101截至,場(chǎng)效應(yīng)管V105截至,Power_IN+端得到的是外接電源適配器的18V電壓。當(dāng)沒(méi)有外接電源適配器時(shí),或便攜B超機(jī)在使用過(guò)程中,外部交流電突然停電造成無(wú)法使用外接電源適配器時(shí), N100A(LM193)的3腳電壓低于2腳,N100A(LM193)1腳輸出低電平,使三極管V100截至,V101導(dǎo)通,場(chǎng)效應(yīng)管V105導(dǎo)通。電池電壓經(jīng)過(guò)導(dǎo)通的場(chǎng)效應(yīng)管V105的源、漏極,POWER_IN+端得到的是電池的14.4V電壓,實(shí)現(xiàn)了兩種電壓之間的熱切換。VD102、VD103在電路中起隔離作用,隔離外接電源適配器和電池供電。
圖2 電源切換電路
單鍵觸摸開(kāi)關(guān)機(jī)電路的設(shè)計(jì)
便攜B超單鍵觸摸開(kāi)關(guān)機(jī)電路如圖3所示,由外接適配器或電池來(lái)的POWER_IN+電壓,一路送到場(chǎng)效應(yīng)管Q100,準(zhǔn)備開(kāi)機(jī),另一路經(jīng)R104、VD104送到輕觸按鈕POWER-KEY2的一端。輕觸按鈕POWER-KEY2的另一端是接地的,當(dāng)按下輕觸按鈕POWER-KEY2時(shí),三極管N106的基極被鉗位在低電平,N106導(dǎo)通,進(jìn)而N102也導(dǎo)通,場(chǎng)效應(yīng)管Q100導(dǎo)通,由外接適配器或電池來(lái)的POWER_IN+電壓經(jīng)過(guò)導(dǎo)通的Q100的源、漏極,獲得POWER+電壓,給高、低壓電路供電,機(jī)器開(kāi)機(jī)。在開(kāi)機(jī)的同時(shí),POWER+電壓經(jīng)過(guò)6V的穩(wěn)壓二極管使三極管N104導(dǎo)通,N104集電極為低電平,維持N106導(dǎo)通,保持開(kāi)機(jī)狀態(tài)。
圖3 單鍵觸摸開(kāi)關(guān)機(jī)電路
當(dāng)便攜B超機(jī)在開(kāi)機(jī)狀態(tài)中,再一次按下按鈕POWER-KEY2時(shí),光耦B101導(dǎo)通,光耦次級(jí)導(dǎo)通,反向器D101的4腳輸出低電平到控制面板,控制面板發(fā)出低電平關(guān)機(jī)指令POWER-OFF1,使光耦B100導(dǎo)通,進(jìn)而使三極管N103導(dǎo)通,N104截至,N104集電極的高電平使N106截至,導(dǎo)致場(chǎng)效應(yīng)管Q100截至,實(shí)現(xiàn)了關(guān)機(jī)。
當(dāng)上位機(jī)發(fā)出高電平的關(guān)機(jī)指令POWER-OFF時(shí),也將使光耦B100導(dǎo)通,余下的過(guò)程和控制面板關(guān)機(jī)過(guò)程一樣。
低壓電源電路的設(shè)計(jì)
便攜B超低壓電源電路如圖4所示,主要有6個(gè)TI公司的TPS5430和1個(gè)美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的LM2576組成。6個(gè)TPS5430提供2組+12V、+5V、+3.3V的電壓,其中一組給便攜B超機(jī)的主控板供電,另外一組用于給便攜B超中的電腦供電。這兩組是完全一樣的,因此,我們只給出了其中一組的供電原理圖。LM2576負(fù)責(zé)產(chǎn)生-12V電壓給便攜B超中的電腦。
圖4 低壓電源電路
TPS5430有5.5~36V的寬電壓輸入范圍,連續(xù)的3A的電流輸出能力(峰值達(dá)4A),轉(zhuǎn)換效率達(dá)95%。8引腳小型貼片封裝,芯片背部是金屬散熱片,使用的時(shí)候一定要焊接到地,做PCB封裝的時(shí)候?qū)⑸崞?dāng)成第9腳。不需要再接散熱裝置,利用電路板本身散熱就可以取得很好的效果,特別適合便攜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)使用。TPS5430的1腳是BOOT端,需要在BOOT和8腳PH間接0.01μF的低ESR電容。2、3腳是空端,4腳VSENSE是調(diào)整器的反饋電壓端,接輸出電壓的分壓電阻端,來(lái)取得輸出電壓的反饋。5腳ENA是電源ON/OFF控制端,當(dāng)此腳電壓低于0.5V以下時(shí),本芯片將關(guān)閉電源轉(zhuǎn)換,供電電流減少到18μA,懸空的時(shí)候使能,芯片正常工作,我們沒(méi)有對(duì)此腳控制,因此懸空沒(méi)接。6腳接地,7腳VIN是電源供電端,接POWER+。在電源供電和地間接一個(gè)高質(zhì)量、低ESR的陶瓷電容。8腳PH是內(nèi)部功率場(chǎng)效應(yīng)管的源極,外部連接續(xù)流二極管和電感。第9腳PowerPad端是芯片背部散熱金屬片,必須連接到地(GND)上。
TPS5430的輸出電壓值是由其4腳的分壓電壓值決定的,輸出電壓Vout=(1.221+(R1×1.221)/R2)V。其中,R1是分壓上電阻,R2是分壓下電阻。對(duì)于TPS5430的設(shè)計(jì),R1可以取10kΩ,R2則能根據(jù)要獲得的輸出電壓來(lái)計(jì)算。根據(jù)圖4給出的R206(1.11K)、R208(3.07K)、R210(5.36K),我們可以計(jì)算出輸出電壓分別是12.2V、5.2V、3.5V,比設(shè)計(jì)值略高0.2V,負(fù)載比較重,帶載的時(shí)候電壓正好合適。
N208(LM2576-12)是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的產(chǎn)品,1腳是電源供電端,接Power+;2腳是輸出端,外接續(xù)流二極管和電感;3腳是接地端,5腳是電源ON/OFF控制端,由于要輸出負(fù)電壓,因此3、5腳沒(méi)有接地而是接-12V電源上了;4腳是電壓反饋端,我們使用固定12V輸出的LM2576-12,故4腳接地,不需要接反饋電阻分壓。
高壓電源電路的設(shè)計(jì)
便攜B超高壓電源電路如圖5所示,使用DC/DC變換器。UA3843是專(zhuān)門(mén)用于DC/DC變換器應(yīng)用的高性能、固定頻率、電流模式控制器,為設(shè)計(jì)者提供使用最少外部元件的高性?xún)r(jià)比的解決方案。其分PWM控制、周波電流限制、電壓控制等幾部分。
圖5 ±48V電源電路
1 PWM控制
POWER+經(jīng)過(guò)電阻R34為N1(UA3843)的7腳提供電壓,N1的4腳外接R36、C33與內(nèi)部電路形成的鋸齒波振蕩器開(kāi)始工作。PWM脈沖由N1的6腳輸出,控制MOSFET V9的導(dǎo)通時(shí)間,決定輸出電壓的高低。R37用于抑制寄生振蕩,通常串聯(lián)在靠近MOSFET柵極處。柵極電阻R37不能太大,它直接影響PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)MOSFET輸入電容的充放電,即影響MOSFET的開(kāi)關(guān)速度。開(kāi)關(guān)變壓器的次級(jí)第9、10腳輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)VD14整流,C35、L7、C36濾波,形成+48V直流輸出電壓為B超探頭供電。開(kāi)關(guān)變壓器的次級(jí)第7、6腳輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)VD13整流、C39、L8、C37濾波,形成-48V直流輸出電壓為B超探頭供電。VD12、C34、R38組成尖峰脈沖吸收電路,用于在開(kāi)關(guān)管從導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止的瞬間抑制V9的漏極所產(chǎn)生的幅值極高的尖峰脈沖。其原理是:在V9截止的瞬間,其漏極產(chǎn)生的尖峰脈沖經(jīng)VD12、C34構(gòu)成充電回路,充電電流將尖峰脈沖抑制在一定的范圍內(nèi),避免了V9被尖峰脈沖擊穿。當(dāng)C34充電結(jié)束后,C34通過(guò)R38放電,為下個(gè)周期再次吸收尖峰脈沖作準(zhǔn)備
2 周波電流限制
2腳FEED BACK是反饋電壓輸入端,此腳與內(nèi)部誤差放大器同相輸入端的基準(zhǔn)電壓(一般為+2.5V)進(jìn)行比較,產(chǎn)生控制電壓,控制脈沖的寬度,本電路將其接地
關(guān)鍵字:B超電源
3 電壓控制
N1(UA3843)是電流型脈寬調(diào)制器,有兩個(gè)閉環(huán)控制。電流取樣信號(hào)送到電流檢測(cè)比較器同相輸入端3腳,構(gòu)成電流閉環(huán)控制,誤差電壓送到內(nèi)部誤差放大器的輸出端1腳,其輸出送到電流檢測(cè)比較器反相輸入端作為比較基準(zhǔn),構(gòu)成電壓閉環(huán)控制。由此看出,電壓閉環(huán)與電流閉環(huán)是相互作用的,兩者最后都通過(guò)電流檢測(cè)比較器來(lái)控制PWM鎖存器,即控制PWM脈沖的寬度。電壓閉環(huán)控制電路由電壓基準(zhǔn)N2(TL431A)、光電耦合器B4(TLP521)及電阻R31、VR7、R12、R32等元件組成。光電耦合器B4(TLP521)輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào),送到內(nèi)部誤差放大器的輸出端1腳。N2(TL431A)誤差放大器內(nèi)部比較基準(zhǔn)為2.5V。電壓閉環(huán)穩(wěn)壓控制過(guò)程是:輸出電壓上升,TL431A基準(zhǔn)端VR上升,TL431導(dǎo)通上升,光電耦合器B4(TLP521)導(dǎo)通上升,1腳電壓下降,內(nèi)部電流檢測(cè)比較器翻轉(zhuǎn)提前,內(nèi)部PWM鎖存器復(fù)位提前,PWM脈沖變窄,輸出電壓變低,從而穩(wěn)定了輸出電壓。高壓輸出電壓值VOUT=(1+R31/(R12+VR7))Vref,通過(guò)調(diào)節(jié)電位器VR7的值,可以使輸出調(diào)整在±48V,調(diào)節(jié)范圍是31×2.5=77.5V~(1+15)×2.5=32V。
結(jié)語(yǔ)
本文介紹了便攜式B超電源的設(shè)計(jì),包括電源切換電路的設(shè)計(jì)、單鍵觸摸開(kāi)關(guān)機(jī)電路的設(shè)計(jì)、低壓電源電路的設(shè)計(jì)及高壓電源電路的設(shè)計(jì)。在我們的便攜設(shè)備中很好的完成了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求,可以應(yīng)用到其他便攜設(shè)備中。