如何從正降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生輔助電源

除主電源外，許多應(yīng)用還需要低功耗電源。出于成本、庫(kù)存管理或電磁兼容性 （EMC） 的原因，單獨(dú)的轉(zhuǎn)換器可能不合適。因此，需要另一種從主電源提供額外電源軌的方法。本應(yīng)用筆記展示了如何使用降壓型IC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作來(lái)獲得一個(gè)或多個(gè)輸出：隔離式或非隔離式、準(zhǔn)穩(wěn)壓或非穩(wěn)壓輸出。

介紹

除主電源外，許多應(yīng)用還需要低功耗電源。一個(gè)典型的例子是模擬前端放大器需要±5V，而主數(shù)字電路只需要+5V。出于成本、庫(kù)存管理或EMC的原因，單獨(dú)的-5V轉(zhuǎn)換器可能不合適。因此，需要另一種從主電源提供額外電源軌的方法。

作為此問(wèn)題的解決方案，降壓型IC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作可用于獲得一個(gè)或多個(gè)輸出，隔離或非隔離，準(zhǔn)穩(wěn)壓或非穩(wěn)壓。輔助輸出電流為主輸出的10%至30%是完全可能的。本應(yīng)用筆記將說(shuō)明使用MAX5035 DC-DC轉(zhuǎn)換器的該技術(shù)。

降壓波形

回顧工作降壓轉(zhuǎn)換器中的波形，將確定可用于產(chǎn)生額外輸出的電壓和電流。請(qǐng)參閱下面的圖 1 和本文末尾的示例 1 波形。

圖1.MAX5035原理圖為降壓轉(zhuǎn)換器工作原理圖。

LX引腳處有一個(gè)幅度為開(kāi)關(guān)電壓波形：

VLX = [VIN (max) to -V(diode)] < VLX < VIN(min) -V(diode)]

電源循環(huán)期間主電感器兩端的電壓（LX 連接到 Vin） 是：

VIND = [VIN (max) - VOUT] < VIND < [VIN(min) - VOUT]

連續(xù)電感電流操作

當(dāng)電源開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，LX連接處的電壓變?yōu)樨?fù)值，打開(kāi)二極管D1，以確保電感電流繼續(xù)循環(huán)。當(dāng)電源循環(huán)開(kāi)始時(shí)，D1中的環(huán)流降至零時(shí)，操作稱(chēng)為連續(xù)（圖2）。

圖2.連續(xù)電感電流波形。TS = 切換周期;D = 占空比。

了解與關(guān)鍵元件相關(guān)的各種RMS電流和電壓后，功耗可以計(jì)算如下：

定義

RON_SW—數(shù)據(jù)手冊(cè)中內(nèi)部電源開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻 （V在至 LX）

RLOAD — 連接在電源輸出端的有效電阻。

靜止—控制IC的靜態(tài)電流，無(wú)開(kāi)關(guān)動(dòng)作。 IDIODE_RMS—肖特基二極管（D1）正向有效值電流。

VFORWARD - 肖特基二極管 D1 在額定電流下的正向壓降。

ILOAD_RMS - RMS 負(fù)載電流。

輔助輸出

輔助輸出可以通過(guò)電感器上的附加繞組添加到主降壓端。額外的輸出依賴(lài)于主電感在“鎖位”肖特基二極管（圖1中的D1）導(dǎo)通期間的反激作用。由于二極管壓降相對(duì)恒定（300mV至500mV，通常取決于電流），并且由于控制器調(diào)節(jié)輸出電壓，因此電感的壓降在電源開(kāi)關(guān)的關(guān)斷時(shí)間內(nèi)也相對(duì)恒定。為使壓降保持一致，主電感應(yīng)在整個(gè)主降壓負(fù)載范圍內(nèi)連續(xù)導(dǎo)通。

LX引腳還可用于為分立電荷泵電路提供開(kāi)關(guān)輸入。為了保持一致，每當(dāng)需要額外輸出時(shí)，LX引腳必須處于活動(dòng)狀態(tài)。您可以通過(guò)確保主降壓輸出支持最小負(fù)載來(lái)保持LX引腳處于活動(dòng)狀態(tài)。

電感器選擇

設(shè)置主電感的值需要三個(gè)功能：電感兩端的電壓、工作頻率和電感的電流紋波。這些功能共同確保電感中存儲(chǔ)足夠的能量。電感的最小值由最大占空比和最小輸入電壓決定，由下式給出：

紋波電流是輸出電流的百分比，MAX30定義為5035%。請(qǐng)注意，紋波電流設(shè)置了不連續(xù)工作開(kāi)始前的最小負(fù)載電流。由于輔助電源會(huì)增加電源開(kāi)關(guān)的峰值電流要求，因此必須注意限制輔助電源的消耗。

對(duì)于許多應(yīng)用，評(píng)估（EV）板的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為100μH和68μF輸出濾波器值是合適的。這些值將保留用于額外供應(yīng)。MAX5035具有固定的內(nèi)部3類(lèi)補(bǔ)償，對(duì)輸出電容的選擇提出了限制。選擇ESR，使零頻率出現(xiàn)在20kHz和40kHz之間。更多信息參見(jiàn)MAX5035數(shù)據(jù)資料的應(yīng)用部分。

來(lái)自主電感變壓器的輔助輸出

在電源開(kāi)關(guān)的關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，電感的壓降相對(duì)恒定，因?yàn)槌跫?jí)肖特基二極管的壓降相對(duì)恒定（300mV至500mV，通常取決于電流），并且控制器調(diào)節(jié)輸出電壓。連接次級(jí)整流器和電容器，以便在反激周期（二極管導(dǎo)通）期間發(fā)生導(dǎo)通，允許從主電感中抽取一些能量。圖3a和3b顯示了這種安排的兩個(gè)版本。輔助繞組與主降壓組隔離，可實(shí)現(xiàn)靈活的連接布置。圖3a顯示了折合到零伏的輔助輸出，圖3b顯示了折合到主正輸出的輔助輸出。另請(qǐng)參見(jiàn)示例2a和2b中的波形。

圖 3a.變壓器用作主電感器（輔助輸出以零伏為參考。T1 = 庫(kù)珀·布斯曼 DRQ125-101。（請(qǐng)注意繞組開(kāi)始的 DOT 約定。

圖 3b.變壓器作為主電感（+ve輔助輸出參考主輸出）。T1 = 庫(kù)珀·布斯曼 DRQ125-101。（請(qǐng)注意繞組開(kāi)始的 DOT 約定。

輔助輸出電壓由下式給出：

VAUX = N2/N1 (VOUT + VDIODE1) - VDIODE2

N1 = 初級(jí)匝數(shù)，N2 = 次級(jí)匝數(shù)。

圖3中的輸出與輸入電壓變化無(wú)關(guān)，因?yàn)楫?dāng)內(nèi)部LX電源開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，D2為ON。 應(yīng)選擇電容C7，以便在電源開(kāi)關(guān)的最大導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)支持輸出。次級(jí)輸出會(huì)受到2%至3%的輸出變化，因?yàn)镈1的正向壓降隨溫度和負(fù)載電流而變化。由于變壓器的N1和N2彼此直流隔離，因此額外的輸出可以參考任何直流電壓。

對(duì)于給定的電感值，輔助輸出端的次級(jí)功率受主初級(jí)環(huán)路中不連續(xù)電流的限制。簡(jiǎn)單地說(shuō)，D1必須在反激期結(jié)束時(shí)保持傳導(dǎo)。在不連續(xù)工作開(kāi)始時(shí)，通過(guò)D1的導(dǎo)通變?yōu)榱?，LX處的電壓將顯示特征衰減“環(huán)”，頻率由輸出電感和LX節(jié)點(diǎn)的總雜散電容決定。

當(dāng)內(nèi)部LX從開(kāi)到關(guān)時(shí)，次級(jí)負(fù)載會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換點(diǎn)的初級(jí)電流發(fā)生變化。圖 4 中所示的當(dāng)前步驟由下式給出：

IXTRA = PSEC (D x VLX)
D = 占空比
PSEC= 次級(jí)電源
VLX= LX 處的峰值電壓偏移

原則上，匝數(shù)比的選擇有很大的靈活性。然而，在實(shí)踐中，具有合適電感和峰值電流值的標(biāo)準(zhǔn)1：1變壓器的可用性使其成為最受歡迎的匝數(shù)比選擇。

圖4.次級(jí)負(fù)載引起的初級(jí)電感電流。

注意額外的負(fù)載如何產(chǎn)生改變的初級(jí)紋波電流。粗線(xiàn)表示主電感電流形狀的簡(jiǎn)化變化，并帶有有源輔助輸出。

這種方法的相對(duì)優(yōu)勢(shì)

正或負(fù)輔助輸出

準(zhǔn)穩(wěn)壓輔助輸出

孤立;可參考接地或主正輸出

通過(guò)主降壓設(shè)置電感值

現(xiàn)成的磁性元件（1：1 變壓器比）

這種方法的相對(duì)缺點(diǎn)

初級(jí)紋波電流增加增加不連續(xù)電流的產(chǎn)生

輔助輸出所需的最小負(fù)載

主正輸出端所需的最小負(fù)載，以保持LX的開(kāi)關(guān)動(dòng)作

電荷泵的負(fù)輔助輸出

LX端電壓偏移可用作電荷泵的源，以產(chǎn)生未穩(wěn)壓的輔助負(fù)輸出。附加輸出未穩(wěn)壓，因?yàn)長(zhǎng)X處的電壓未與V的變化隔離在.額外的電荷泵元件如圖5所示。另請(qǐng)參見(jiàn)示例3中的波形。

當(dāng)電源開(kāi)關(guān)在電源循環(huán)開(kāi)始時(shí)閉合時(shí)，電流通過(guò)D7和R2流入C6，并開(kāi)始在電感L1中斜坡上升。在D1導(dǎo)通的反激循環(huán)中，C7上的電荷轉(zhuǎn)移到C8和負(fù)載。R6是一個(gè)重要的補(bǔ)充，因?yàn)樗拗屏薈7的峰值電流。如果沒(méi)有R6，將超過(guò)電源開(kāi)關(guān)的電流限值，導(dǎo)致電源周期過(guò)早終止，甚至關(guān)斷受保護(hù)的降壓轉(zhuǎn)換器（如MAX5035）。參見(jiàn)圖 6。

圖5.電荷泵的輔助負(fù)輸出原理圖。

圖6.來(lái)自電感和電荷泵的電流波形。

由R6和C7引起的非穩(wěn)壓電荷泵的源阻抗由下式給出：

通過(guò)識(shí)別非穩(wěn)壓電荷泵的源阻抗，設(shè)計(jì)人員可以估算可變負(fù)載條件下的電荷泵輸出電壓。

開(kāi)路電荷泵輔助輸出電壓大致由下式給出：

加載的電荷泵輔助輸出電壓由下式給出：

當(dāng)電容值在1μF至10μF范圍內(nèi)時(shí)，R1將主導(dǎo)源阻抗。輸出紋波幾乎完全由C8的ESR（圖4中的輸出電容）引起。由于電荷泵未穩(wěn)壓，因此可以在輸出端連接線(xiàn)性穩(wěn)壓器以提供穩(wěn)壓負(fù)輸出。

這種方法的相對(duì)優(yōu)勢(shì)

小型組件

成本低于 1：1 變壓器架構(gòu)

這種方法的相對(duì)缺點(diǎn)

非穩(wěn)壓輸出;如果輸入電壓范圍很寬，則輸出端可能需要一個(gè)額外的穩(wěn)壓器。

高峰值電流，適用于適度的輔助負(fù)載電流（約 4 x IOUT_AVE)

僅負(fù)輔助輸出;輸出可以參考地或主穩(wěn)壓輸出，前提是有足夠的電壓差為泵浦電容充電（圖7中的C5）。

輔助輸出所需的最小負(fù)載，以防止尖峰存儲(chǔ)過(guò)壓

主正輸出端所需的最小負(fù)載，以保持LX的開(kāi)關(guān)動(dòng)作

賽克輔助電源

通過(guò)使用第二個(gè)電感L2，可以從LX引腳獲得負(fù)輸出，L7與主降壓電感共享相同的內(nèi)核，因此具有相同的值。圖 5 顯示了 C2、D6、C2 和 L4 如何形成 SEPIC 拓?fù)?。另?qǐng)參見(jiàn)示例1中的波形。LX處驅(qū)動(dòng)正輸出降壓的開(kāi)關(guān)信號(hào)與驅(qū)動(dòng)負(fù)輸出的電平相同。在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間，L<> 兩端的電壓為 VLX， w外，在關(guān)閉期間為 V外+ VDIODE_1).通過(guò)變壓器作用 （1：1），該電壓也施加在 L2 兩端并產(chǎn)生 -V外與 D2 和 C5。由于兩個(gè)繞組L1和L2的耦合不太完美，C5創(chuàng)建了SEPIC連接，并以非常適度的調(diào)節(jié)改善了正常反激式輔助輸出的調(diào)節(jié)。

選擇耦合電容C5是為了在其上產(chǎn)生低壓紋波，作為輔助負(fù)載電流占空比和時(shí)鐘周期的函數(shù)。

這種方法的相對(duì)優(yōu)勢(shì)

準(zhǔn)穩(wěn)壓輸出

“干凈”電感電流波形;減少噪音產(chǎn)生

通過(guò)耦合電感器降低紋波

單個(gè)磁性元件（現(xiàn)成的 1：1 變壓器）

這種方法的相對(duì)缺點(diǎn)

-VOUT僅可用

接地參考輸出

圖7.耦合電感器SEPIC輔助電源。L1， L2 = 庫(kù)珀·布斯曼 DRQ125-101。（請(qǐng)注意繞組開(kāi)始的 DOT 約定。

結(jié)論

可以將許多輔助輸出拓?fù)涮砑拥郊傻恼祲恨D(zhuǎn)換器中。示例選擇MAX5035，但較低輸出的MAX5033可以采用相同的電路，但輸出減小。

審核編輯：郭婷