高壓負電源的設計及應用

高壓負電源的設計及應用

SLIC是一個可以構成模擬電話接口,具有摘機/掛機信號傳送、鈴聲產生、鈴流檢測等功能,在傳送摘機信號時需要-24V電壓,而在產生鈴聲信號時,只需要-72V電壓,對于IP電話或路由器,SLIC一般需要-48V電壓,而對于xDSL線路驅動需要-5V和-15V電壓,無線公用電話可能需要-24V和-48V電壓,所有這些應用電源設計均可以使用MAC1856同步PWM控制器得到一個低成本的設計方案。

2 MAX1856的工作原理和特點

MAX1856內含低壓差線性穩壓器（LDO）,內部所有電路均由內置穩壓器供電,最大輸入電壓可達28V,內部穩壓器最小壓差為200mV,只要LDO輸出電壓高于2.7V,內部電路就可以工作,所以MAX1856的最小輸入電壓為3V,LDO最大輸出電流為12mA,如果外部FET的柵極驅動電流較小,則LDO也要用于其它電路供電。MAX1856內含電流模式PWM控制器,因此使用反激控制結構產生負的高壓電源非常理想,其內部多輸入比較器可以同時處理輸出誤差信號、電流檢測信號以及斜率被償信號。在PWM模式時,MAX1856使用固定開關頻率,在輕負載時,MAX1856進入空閑模式以提供更高的效率。

MAX1856具有內部軟啟動特性,因而可以防止過流,并允許選用較小的輸入電容。MAX1856的工作頻率可以設置在100kHz到500kHz之間,對于低噪聲應用,也可以采用外部時鐘同步工作模式。

3 SLIC電源設計

圖1是為SLIC設計的電源電路,它的輸入電壓為12V,其中一路輸出-24V/400mA,另外一路為-72V/100mA,通過改變外部分壓電阻可對兩路輸出電壓進行調節。

3.1 設置工作頻率和輸出電壓

MAX1856的工作頻率由管腳FREQ對地之間的電阻ROSC來決定,ROSC一般為50MΩ/fosc,如果選擇250kHz的工作頻率,則ROSC=200kΩ。工作頻率越高,ROSC可以越小,這樣,峰值電流和電阻損耗也會越少,但同時會增大開關損耗、磁芯損耗,并將使柵極驅動電流增大。

??? FB管腳在輸出端和REF引腳之間的分壓電阻決定輸出電壓的大小。Vout=VREF R1/R3.對于雙輸出電壓分別調整的情況,由于反饋電壓門限為0,流入FB引腳的總電流是ITOTAL=IR1+IR2=VREF/R3。因為反饋電阻連接到REF,所以ITOTAL必須小于400μA,選擇R3可使得ITOTAL位于200μA和250μA之間,一般可選R3為5.11kΩ。為了保證兩個輸出的精度相同,應使IR1/IR2=Pout1/Pout2,其中Pout1和Pout2分別為24V/400mA和72V/100mA。這樣,可使IR1=4IR2/3。從上面的式子求得IR1和IR2后,R1和R2位于由下式求得：R1=Vout1/IR1=174kΩ,R2=Vout2/IR2=68kΩ。

3.2 選擇變壓器和MOSFET

變壓器匝數比是輸入輸出電壓比和占空比的函數,在占空比為50%,輸入為12V,輸出為-72時,需要有1：6的匝數比,在輸出為-24V時,匝數比Np:Ns為1：2,所以變壓器的匝數比是1：2：2：2。

整個電路的最大輸出功率為最大輸入功率與轉換效率（E）的乘積。而轉換效率（E）則是電阻損耗、變壓器損耗、MOSFET導通電阻損耗、輸入輸出電容以及開關損耗的函數,一般可以假設R的典型值為80%。而最大輸入功率是檢流電阻、輸入電壓、輸出電壓、電感值、變壓器匝數比（Np:Ns）和開關工作頻率的函數。具體的計算公式可參考以下各式：

PIN(MAX)=VIND(Vcs/Pcs-VIND/(2FoscL)

D=NpVOUT/(NpVOUT+NsVIN)

在最大負載電流時,其IIN=VOUTIOUT(MAX)/VIN(MIN)E。式中,E是轉換效率,選80%,VOUT=24V IOUT(MAX)=400mA,VIN（MIN）=10.8V,這個平均輸入電流為1.11A,對于52.5%的占空比,平均開關電流就是2.114A,選擇初級電感波動電流△Ilo 40%,則初級電感為：

Lp=VIND/(△ILfOSC)

其中△IL=0.4×2.114=0.846A,fOSC=250kHz,所以Lp=27μH時,初級峰值電流為2.5A。

由于受MAX1856內部LDO輸出最大值（5V）的限制,外部功率開關需選擇邏輯電平驅動的N溝道NOSFET,在輸入電壓低于5V時,可選擇VGS為2.7V或更低的N溝道MOSFET。另外還需考慮其它特性指標,如：柵極電荷QG、導通電阻RDS、最大漏源電壓VDS和最小門限電壓VTH。對于IR公司的IRLL2705,其QG為17nC(VGS=5V),所以柵極驅動電流為：

IGATE=Qgfosc=8.5mA

式中：fosc為500kHz

3.3 選擇檢流電阻以及輸入輸出電容和二極管

電感峰值電流確定后,檢流電阻由下式確定。

Rcs=Vcs/ILPEAK=85mV/ILPEAK=33mΩ

??? 為了避免電流檢測比較器受噪聲干擾,RCS和CS管腳之間應連接100Ω電阻、CS引腳與GND之間應接1000pF的濾波電容。

整流二極管應選用高速、快恢復肖特基二極管,平均電流應滿足以下要求：

ID=IOUT（1+VOUT Np/(Ns VIN)）+△IL Np/(2Ns)

同時關斷電壓要大于VOUT。

輸入輸出電容的串聯等效電阻（ESR）應比較低。

3.4 消振電路設計

MAX1856可利用電流感應電阻來實現電流模式的控制,當開關導通時,MAX1856有100ns的浮空周期來減少噪聲干擾。然后此時次級電感和輸出二極管電容將形成振蕩電路,并將反射回原邊加到電流檢測電阻上,其時間會超出100ns,從而導致噪聲干擾。圖1中R4和C3可以快速消振,消振電路的時間常數必須小于100ns,R4應滿足50ns/C3。

4 無線終端的電源設計

圖2所示是一種無線公用電話的電源電路,該電路也可以作為無線WLL終端的電源電路。若無線終端的供電電源是12V太陽能電池,則輸出要求第一路為24V/200mA,另一路為-48V/100mA,第三路為5V/500mA。