便攜式B超電源的設計及應用
便攜式B超系統(tǒng)內部使用的電源比較復雜,，外部適配器和電池的電源必須經過DC/DC轉換,，以轉換成系統(tǒng)需要的電壓。為了降低電源上的無用消耗,，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的電源采用開關電源供電,。
便攜B超電源的整體設計
圖1為便攜B超電源的整體設計方框圖。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,。要求實現(xiàn)兩種電壓之間的熱切換,，并在切換電壓時不影響系統(tǒng)工作，即提供外電和電池供電無延時熱切換功能,。需要輸出±12V,、5V、3.3V,、±48V等幾種電壓,，具體指標為12V/2.5A、-12V/0.5A,、5V/4A,、3.3V/3A、+48V/80mA,、-48V/80mA,。具有單鍵開關機功能，即無電時,，按電源鍵打開電源,；在有電時，按電源鍵向控制面板發(fā)送關機信號,，上位機還可以通過軟件關機（即支持ATX關機指令）,。電源輸出接口采用標準計算機ATX接口。
圖1 便攜B超電源整體設計方框圖
電源切換電路的設計
便攜B超電源切換電路如圖2所示,，在外接電源適配器時,，電壓輸入交流18V，經VD100、VD101二極管后,，再經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導通，V101截至,，場效應管V105截至，POWER_IN+端得到的是外接電源適配器的18V電壓,。當沒有外接電源適配器時,，或便攜B超機在使用過程中，外部交流電突然停電造成無法使用外接電源適配器時,， 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導通,，場效應管V105導通。電池電壓經過導通的場效應管V105的源,、漏極,，POWER_IN+端得到的是電池的14.4V電壓，實現(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
單鍵觸摸開關機電路的設計
便攜B超單鍵觸摸開關機電路如圖3所示,，由外接適配器或電池來的POWER_IN+電壓，一路送到場效應管Q100,，準備開機,，另一路經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,，當按下輕觸按鈕POWER-KEY2時，三極管N106的基極被鉗位在低電平,，N106導通,，進而N102也導通，場效應管Q100導通,，由外接適配器或電池來的POWER_IN+電壓經過導通的Q100的源,、漏極,，獲得POWER+電壓，給高,、低壓電路供電,，機器開機。在開機的同時,，POWER+電壓經過6V的穩(wěn)壓二極管使三極管N104導通,，N104集電極為低電平，維持N106導通,，保持開機狀態(tài),。
圖3 單鍵觸摸開關機電路
當便攜B超機在開機狀態(tài)中，再一次按下按鈕POWER-KEY2時,，光耦B101導通,，光耦次級導通，反向器D101的4腳輸出低電平到控制面板,，控制面板發(fā)出低電平關機指令POWER-OFF1,，使光耦B100導通，進而使三極管N103導通,，N104截至,，N104集電極的高電平使N106截至，導致場效應管Q100截至,，實現(xiàn)了關機,。
當上位機發(fā)出高電平的關機指令POWER-OFF時，也將使光耦B100導通,，余下的過程和控制面板關機過程一樣,。
低壓電源電路的設計
便攜B超低壓電源電路如圖4所示，主要有6個TI公司的TPS5430和1個美國國家半導體公司的LM2576組成,。6個TPS5430提供2組+12V,、+5V、+3.3V的電壓,，其中一組給便攜B超機的主控板供電,，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負責產生-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4A），轉換效率達95%。8引腳小型貼片封裝,，芯片背部是金屬散熱片,，使用的時候一定要焊接到地，做PCB封裝的時候將散熱片當成第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，特別適合便攜產品的設計使用,。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是調整器的反饋電壓端，接輸出電壓的分壓電阻端,，來取得輸出電壓的反饋,。5腳ENA是電源ON/OFF控制端，當此腳電壓低于0.5V以下時,，本芯片將關閉電源轉換,，供電電流減少到18μA,，懸空的時候使能,，芯片正常工作，我們沒有對此腳控制,，因此懸空沒接,。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高質量、低ESR的陶瓷電容,。8腳PH是內部功率場效應管的源極,，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,。對于TPS5430的設計,，R1可以取10kΩ，R2則能根據(jù)要獲得的輸出電壓來計算。根據(jù)圖4給出的R206(1.11K),、R208(3.07K),、R210(5.36K)，我們可以計算出輸出電壓分別是12.2V,、5.2V,、3.5V，比設計值略高0.2V,，負載比較重,，帶載的時候電壓正好合適。
N208(LM2576-12)是美國國家半導體的產品,，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,，由于要輸出負電壓,，因此3、5腳沒有接地而是接-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,。
高壓電源電路的設計
便攜B超高壓電源電路如圖5所示，使用DC/DC變換器,。UA3843是專門用于DC/DC變換器應用的高性能,、固定頻率、電流模式控制器,，為設計者提供使用最少外部元件的高性價比的解決方案,。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+經過電阻R34為N1(UA3843)的7腳提供電壓，N1的4腳外接R36,、C33與內部電路形成的鋸齒波振蕩器開始工作,。PWM脈沖由N1的6腳輸出，控制MOSFET V9的導通時間,，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驅動信號對MOSFET輸入電容的充放電,，即影響MOSFET的開關速度。開關變壓器的次級第9,、10腳輸出的感應電動勢經VD14整流,，C35、L7,、C36濾波,，形成+48V直流輸出電壓為B超探頭供電。開關變壓器的次級第7,、6腳輸出的感應電動勢經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，用于在開關管從導通轉為截止的瞬間抑制V9的漏極所產生的幅值極高的尖峰脈沖,。其原理是：在V9截止的瞬間,，其漏極產生的尖峰脈沖經VD12、C34構成充電回路,，充電電流將尖峰脈沖抑制在一定的范圍內,，避免了V9被尖峰脈沖擊穿,。當C34充電結束后,，C34通過R38放電，為下個周期再次吸收尖峰脈沖作準備
2 周波電流限制
2腳FEED BACK是反饋電壓輸入端,，此腳與內部誤差放大器同相輸入端的基準電壓(一般為+2.5V)進行比較,，產生控制電壓，控制脈沖的寬度,，本電路將其接地,，由內部誤差放大器的輸出端1腳進行控制。3腳的周波電流限制信號決定了PWM脈沖的寬度,，即決定了輸出電壓的高低,。N1(UA3843)3腳外接的R47、R48,、R14,、C32組成周波電流限制電路,，在每一個振蕩周期中，當開關電源脈沖變壓器L6初級的3～5繞組電感電流峰值達到設定值時就關閉PWM脈沖,，設定值由N1(UA3843)的1腳COMP端電壓決定（1腳COMP是內部誤差放大器的輸出端）,，通常此腳與2腳之間接有反饋網絡，以確定誤差放大器的增益和頻響,。周波電流限制控制過程如下：開關管導通,，電感電流上升，取樣電壓V3上升,，當3腳電壓大于1V時,，內部電流檢測比較器翻轉，內部PWM鎖存器復位,，關閉PWM脈沖,，準備進入下周期。為消除電流限制電路尖波脈沖干擾,，由R14,、C32組成尖波濾波電路，以確保周波電流限制功能在每一個振蕩周期中都有效,。R47,、R48為限流取樣電阻，決定了整個開關變換器的最大輸出電流值,，改變其阻值可以調整最大輸出電流,。
3 電壓控制
N1(UA3843)是電流型脈寬調制器，有兩個閉環(huán)控制,。電流取樣信號送到電流檢測比較器同相輸入端3腳,，構成電流閉環(huán)控制,誤差電壓送到內部誤差放大器的輸出端1腳，其輸出送到電流檢測比較器反相輸入端作為比較基準,，構成電壓閉環(huán)控制,。由此看出，電壓閉環(huán)與電流閉環(huán)是相互作用的,，兩者最后都通過電流檢測比較器來控制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)輸出的電流信號轉化成電壓信號，送到內部誤差放大器的輸出端1腳,。N2(TL431A)誤差放大器內部比較基準為2.5V,。電壓閉環(huán)穩(wěn)壓控制過程是：輸出電壓上升,，TL431A基準端VR上升，TL431導通上升,，光電耦合器B4(TLP521)導通上升,，1腳電壓下降，內部電流檢測比較器翻轉提前,，內部PWM鎖存器復位提前,，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，通過調節(jié)電位器VR7的值,，可以使輸出調整在±48V,，調節(jié)范圍是31×2.5=77.5V～（1+15）×2.5=32V。
結語
本文介紹了便攜式B超電源的設計,，包括電源切換電路的設計,、單鍵觸摸開關機電路的設計、低壓電源電路的設計及高壓電源電路的設計,。在我們的便攜設備中很好的完成了設計指標的要求,，可以應用到其他便攜設備中。
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