便攜式B超電源的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

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(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。具有單鍵開關(guān)機(jī)功能,，即無電時(shí),，按電源鍵打開電源；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)沒有外接電源適配器時(shí)，或便攜B超機(jī)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(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
單鍵觸摸開關(guān)機(jī)電路的設(shè)計(jì)
便攜B超單鍵觸摸開關(guān)機(jī)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(chǎng)效應(yīng)管Q100,，準(zhǔn)備開機(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的POWER_IN+電壓經(jīng)過導(dǎo)通的Q100的源,、漏極，獲得POWER+電壓,，給高,、低壓電路供電，機(jī)器開機(jī),。在開機(jī)的同時(shí),，POWER+電壓經(jīng)過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,，保持開機(jī)狀態(tài)。

圖3 單鍵觸摸開關(guān)機(jī)電路

當(dāng)便攜B超機(jī)在開機(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,，余下的過程和控制面板關(guān)機(jī)過程一樣,。
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，我們沒有對(duì)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(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是專門用于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價(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的開關(guān)速度,。開關(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,，由內(nèi)部誤差放大器的輸出端1腳進(jìn)行控制。3腳的周波電流限制信號(hào)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(gè)振蕩周期中,，當(dāng)開關(guān)電源脈沖變壓器L6初級(jí)的3～5繞組電感電流峰值達(dá)到設(shè)定值時(shí)就關(guān)閉PWM脈沖,，設(shè)定值由N1(UA3843)的1腳COMP端電壓決定（1腳COMP是內(nèi)部誤差放大器的輸出端），通常此腳與2腳之間接有反饋網(wǎng)絡(luò),，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(guān)管導(dǎo)通，電感電流上升,，取樣電壓V3上升,，當(dāng)3腳電壓大于1V時(shí)，內(nèi)部電流檢測(cè)比較器翻轉(zhuǎn),，內(nèi)部PWM鎖存器復(fù)位,，關(guān)閉PWM脈沖，準(zhǔn)備進(jìn)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(gè)振蕩周期中都有效,。R47、R48為限流取樣電阻,，決定了整個(gè)開關(guān)變換器的最大輸出電流值,，改變其阻值可以調(diào)整最大輸出電流,。

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,，兩者最后都通過電流檢測(cè)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(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
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,。