电源电路设计分析实例(经典分析).doc

电源电路设计分析实例（经典分析） 众所皆知，电源电路设计，乃是在整体电路设计中最基础的必备功夫，因此，在接下来的文章中，将会针对实体电源电路设计的案例做基本的探讨 电源 device 电路 ※输出电压可变的基准电源电路（特征：使用专用 IC 基准电源电路）图 1 是分流基准（shunt regulator）IC 构成的基准电源电路，本电路可以利用外置电阻Vr1 与 R3 的设定，使输出电压在+2.5V-5V 范围内变化，输出电压 Vout 可利用下式求得：----------------------（1 ）Vref： 内部的基准电压 图中的 TL431 是 TI 的编号，NEC 的编号是 μPC1093，新日本无线电的编号是NJM2380，日立的编号是 HA17431，东芝的编号是 TA76431※输出电压可变的高精度基准电源电路（特征：高精度、电压可变） 类似 REF-02C 属于高精度、输出电压不可变的基准电源 IC，因此设计上必需追加图 2的 OP 增幅 IC，利用该 IC 的 gain 使输出电压变成可变，它的电压变化范围为+5-+10V ※利用单电源制作正负电压同时站立的电源电路（特征：正负电压同时站立）虽然电池 device 的电源单元，通常是由电池构成单电源电路，不过某些情况要求电源电路具备负电源电压。

图 3 的电源电路可输出由单电源送出的稳定化正、负电源，一般这类型的电源电路是以正电压当作基准再产生负电压，因此负电压的站立较缓慢，不过图 3 的电源电路正、负电压却可以同时站立，图 4 中的 TPS60403 IC 可使输入的电压极性反转※40V 最大输出电压的 Serial Regulator（特征：可以输出三端子 Regulator IC 无法提供的高电压） 虽然三端子 Regulator IC 的输出电压大约是 24V，不过若超过该电压时电路设计上必需与 IC 以 disk lead 等组件整合图 5 的 Serial Regulator 最大可以输出+40V 的电压，图中 D2 Zener 二极管的输出电压被设定成一半左右，再用 R7 VR1 R8 将输出电压分压，使该电压能与 VZ2 的电压一致藉此才能决定定数必需注意的是 R7 R8 若太大的话，会引发输出电压噪声上升与波动等问题；反 R7 R8 之若太小的话，会有发热耗损电力之虞，因此一般以 R7 R8 2-5K 比较合适※输出电压为 40-80 的 Serial Regulator（特征：利用 disk lead 组件输出高电压）图 6 是可以输出电压为 40-80 的 Serial Regulator，由于本电路的输出电压非常高，因此无法使用 OP 增幅 IC。

图中的 VCEO 是利用 120V 的 2SC2240-GR 构成误差增幅器此外本电路还追加 TR5 与 Cascode 增幅器，藉此改善误差增幅器的频率特性2SK373-Y 是 VDS="100V 的 FET"，它可以构成高耐压的定电流电源除了 FET 之外还可以使用最大使用电压为 100V ，定格电力为 300MW ，石冢电子的定电流二极管 E-202 　※输出电压为 150V 的高电压 Serial Regulator（特征：设有输出短路保护电路）如图 7 所示本 Serial Regulator 的 base 的共通增幅电路与 OP 增幅器输出端连接，因此可以输出高电压如果输出发生短路的话，TR3 的保护电路就会动作，TR3 将流入120MA 限制在 范围内，此时输入电压会施加至 TR2 的 drain 与 source 之间，所以会有20W 左右的损失※输出电压为 400V 的高电压 Serial Regulator（特征：设有输出短路保护电路） 如图 8 所示误差增幅器的基准电位与输出电位连接，形成浮动增幅型 Serial Regulator虽然电源变压器（ transistor）必需使用误差增幅器专用的绕线，不过误差增幅器是由 OP 增幅器构成，因此非常适用于高电压 Regulator。

此外为避免输出短路时的大电力损失，因此保护电路具备倒 V 型特性※TO-220 封装的非绝缘型 Step Down Converter（特征：无封装面积变大之虞，可将线性电源变成 switching 电源）三端子 Regulator 的损失若超过 3W 时，冷却片的面积会变得非常大，因此必需改用非线性而且效率极高较不易发热的 switching type DC-DC Converter，不过实际上由于 DC-DC Converter 使用的组件数量非常多，因此有可能造成封装面积过大等问题 如图 9 所示若使用与三端子 Regulator 同级的 T0-220 封装控制 IC，就能获得输入电压为 8-24V ，输出 5V，电流为 3.5A 的 Step Down Converter这种 Converter 最大特征是结构简单动作稳定，而且使用组件的数量非常少，因此不需刻意变更印刷电路板的pattern，或是担心封装面积变大等困扰，虽然价格稍为偏高不过 Serial Regulator 几乎网罗所有的规格本电路是由外置的二极管（diode）、电容、线圈，以及设定电压的电阻所构成，只有电容比较特殊必需使用 switching 电源专用低阻抗（impedance）type。

PQ1CG 系列的产品几乎函盖拥所有电压、电流规格，从 2.5V 低输出电压到 5A 以下机型一应具全而且都已经商品化表 1 是 TO-220 封装非绝缘型 Step Down Converter IC 的规格一览，表中的 PQ1CG3032FZ 第五根脚兼具 soft start 与 ON/OFF 功能，因此使用上非常方便 ：VODJ 输出电压调整端子；feedback： 输出归返（return）端子 VC； ：位相补偿用端子ON/OFF：standby 端子； ：输入端子 VIN； ：输出端子 VOUT；NS：国 家半导体表 1 T0-220 封装的 DC-DC Converter 控制 IC 的规格 ※寻址 Step Down Converter（特征：IC 容易取得价格低廉）图 10 使用历史相当长久的 Step Down Converter 控制 IC，它的输入电压为 8-16V ，输出电压为 5V 600MA本 Converter 最大特点是价格低廉容易取得图中的MC34063（On Semiconductor Co）动作频率被设为 45KHZ ，因此线圈与电容器的外形可能会变大，不过只要印刷 pattern 设计得宜的话，上述问题对动作上尚不致构成困扰。

必须注意的是类似新日本无线的 NJM2360 与 NJM2374A，虽然是特性相同的 IC，不过结构上却不相同，只有国家半导体的 LM2574N-ADJ 与 Sunken 的 SAI01 是寻址 Step Down Converter 用 IC※On Board 电源用 Step Down Converter（特征：封装面积小，操作简易的 DC-DC Converter）图 11 是利用寻址控制 IC 构成封装面积很小的 Step Down Converter，它的输入电压为6-16V ，输出电压为 5V 450MA图中的 MAX738 IC 为 8pin 的 DIP 封装，输入端的积层陶瓷电容 C2 必需贴近 IC 的lead否则无法顺利动作本 IC 的动作频率为 160-170KHZ 左右，因此周边的被动组件可以使用 lead type电容的等价串联阻抗必需使用低于 0.5 欧 的 type；线圈的 inductance 为100UH 或是 33UH※效率 95%的超小型 Step Down Converter（特征：由 5*5MM 的控制 IC 构成）如图 12 所示超小型 Step Down Converter，是由外型尺寸为 5*5MM 的 IC 与数个外置组件构成，本电 路内建两个 power MOSFET 属于同步整流 type，它可以利用 FBSEL 端子的设定，使输出电压 VOUT 作 1.5 1.8 2.5V 三种切换。

※可输出 5-10V 低噪讯 DC-DC Converter（特征：适用于电池 device 等模拟电路电源）电池 device 的单电源，经常被要求必需能够提供 OP 增幅器的数个模拟电路正、电源，由于电流值相当低因此使用的组件数量相对很少图 13 是输入电压为 5V ，输出电压为10V 的 DC-DC Converter，图中的 MAX865 是 8 pin 的 μMAX 封装内建 CMOS charge pump 的控制 IC，它只要四个外置电容就可以 1.5-6V 输入电源，制作两倍的正负电压，由于本电路未使用线圈，所以峰值电位（spike）的噪讯（noise ）非常低charge pump 的电容 C1 C2 必需使用低等价串联阻抗，耐压超过 16V 以上的电容组件，因为加大容量时可以降低波动（ripple）电压提高效率根据规格书（datasheet）的记载MAX865 内部的输出阻抗，分别是正电压端为 90 欧 ，负输出为 160 欧 （输入为 5V 时）若流入 5MA 的负载电流时，正电压端会产生 0.45V 的电压下降，负电压端则产生 0.8V 的电压下降，要求无电压变动的电路可以采用 MAX865 并联连接，或是改用 MAX743 type。

此外 V- 电路的负载电流较大时，基于保护电路等考虑，可以将 shot key barrier 二极管连接于 V- 端子与 GND 端子（第 4 pin）之间 ※可输出+5-- --5V 的 DC-DC Converter（特征：可辅助正电源系统得负电源需求）小型量测设备经常会有负电源需求，如果不需大电流容量时，可以使用 charge pump的极性反转 Converter 图 14 的 DC-DC Converter 可以使 5V 的极性反转，同时输入 –5V 50MA 的电力，图中的 MAX860 是 8 pin 表面封装 type 控制 IC；表 2 是表面封装 type控制 IC 的规格一览上述 Converter 的动作频率可设定成 6K 50K 130K 三种形式，无小型化要求时可将 VC 端子与输出端连接设定成 130K ，同时使用低容量的小型电容图14 的设定值为 50KHZ ，输入电压范围为 1.5-5V ，输出阻抗为 12，最大负载电流为 50如果希望利用负载降低电压时，可将 MAX860 并联连接 表 2 极性反转型 Step Down Converter 控制 IC 的规格※可使电池电压上升的 Step Up Converter（特征：电池能量 100%发挥）使用二次电池驱动的可携式电子产品，要求即使电池电压下降亦能长时间动作，因此出现可将 5V 的电池电压 Step Up，输出 200MA 的 Converter（图 15）。

如表 3 所示具备上述功能的 IC 种类非常多，由于这类 IC 大多具有 shut down 端子（pin ），因此可用 logic level 控制输出的 ON/OFF此外 即使 shut down 输出与输入也不会连通线圈，使得输入电压（电池电压）直接被输出要求大电流的场合（case ）建议改用流入线圈的峰值电流极小，而且又是固定频率的 PWM type MAX1700 IC表 3 Step Up Converter 控制 IC 的规格 ※高电压 Step Down Converter（特征：无变压器可使 100-400V 直流电压转换成 15V ）如图 16 所示本 Step Down Converte。