基于汽車艦船兩用的穩壓電源設計

陳 可

（海軍駐桂林地區軍事代表室，廣西 桂林 541002）

1 前言

隨著我國北斗衛星導航事業的快速發展，民用市場的逐步開放，一些導航應用終端已經應用到祖國的相關行業中去，比如公務車監管、車載定位、艦船導航與通信等等。這類設備小型、輕便、精度高、性能優、耗電低、應用范圍廣，另外在實際應用中各行業提供的供電標準不統一，并且供電電源的電壓又不穩定，鑒于這些因素，設計一款寬輸入電壓范圍、轉換效率高、輸出電壓穩定、標準統一且紋波系數低的穩壓電源供電系統有一定實際意義，系統支持鋰離子電池充電功能。

2 系統結構及工作原理

穩壓電源系統主要由穩壓部分、充電管理部分和升壓部分共三個模塊組成。其中穩壓部分實現寬輸入電壓范圍的降壓、穩壓工作，充電管理部分實現鋰離子電池的充電管理，便于導航應用終端實時工作，升壓部分用來實現鋰離子電池的升壓，提供穩定的供電電源。系統的基本工作原理是：當外接DC 時，穩壓部分將外接DC穩壓到5V電壓輸出，同時使能電源管理部分，鋰離子電池開始充電，在充電過程中電源管理芯片負責監控鋰離子電池的充電過程，保證鋰離子電池的工作安全，與此同時升壓部分被控制電路禁能；當外接DC斷開時，穩壓部分停止工作，控制電路禁能電源管理部分，使能升壓部分，使其穩壓5V輸出；升壓部分和穩壓部分使用肖特基功率整流開關進行隔離，以防兩者之間形成串流。穩壓電源系統結構如圖1所示。

圖1 穩壓電源系統結構

3 電源模塊的硬件設計

3.1 穩壓部分

穩壓部分是電源系統的核心部分，主要由開關穩壓芯片TPS54560及相應外圍元件構成。該芯片是美國德州儀器公司（TI）推出的一款寬輸入電壓范圍（4.5V-60V），輸出電流達5A的降壓型 DC-DC轉換器。芯片具有軟啟動、欠壓保護及Eco-mode，開關頻率可調，適用與工業自動化、衛星導航等應用領域。設計原理圖如圖2所示。

3.2 充電管理部分

在外接DC斷開時為了能讓導航應用終端繼續工作，電源系統設計了鋰離子電池充電管理部分。該部分主要采用南京拓微IC公司生產的TP4056線性鋰離子電池充電管理芯片，可編程充電電流高達1A，芯片內部為PMOSFET結構，采用恒流恒壓工作模式，具有防倒充，對充電電流可進行自動調節功能，在低電流或停機狀態下，電池的漏電流降至2uA以下。具體設計原理圖如圖3所示。

圖3 充電管理部分原理圖

3.3 升壓部分

由于鋰離子電池的充電電壓固定在4.2V，在鋰離子電池供電的情況下，隨著供電時長，鋰離子電池電量將會逐漸減少，輸出電壓逐漸下降，這必將導致導航終端工作不穩定。采用美國德州儀器公司（TI）生產的TPS61175開關穩壓芯片可得到穩定輸出電壓。芯片高達93%的轉換效率，具有軟啟動、欠壓保護、開關頻率可調等功能。設計原理圖如圖4所示。

圖4 升壓部分原理圖

4 PCB設計與調試

4.1 PCB設計

眾所周知，所有電子終端消耗的功率都是來源于前端穩壓電源，那么穩壓電源中用于穩定電壓控制的晶體管、IC穩壓器等必須時刻工作在高壓、強電流狀態下，因此在這種狀態下穩壓電源功率的損耗和發熱問題在所難免了。另外開關穩壓器在工作時還會產生嚴重的噪聲，所以要解決上述問題，使穩壓電源達到預期的工作性能，PCB的布局和布線至關重要，否則，芯片內部的監管機構將會遭受不穩定或噪聲的影響。

本電源系統中由于穩壓部分和升壓部分使用的都是定頻開關技術，相對于變頻開關技術而言，其濾波部分還是比較容易設計的，只需將相關LC濾波盡可能靠近芯片IC引腳即可。對于芯片開關SW引腳，由于此引腳涉及到納秒級的高電流路徑，最易收到外界干擾，因此此處的路徑要盡可能地短，另外兩者的工作頻率最好選為一致，防止彼此間產生不必要的噪聲干擾。

充電管理部分由于其IC芯片很小，在PCB設計時要特別注意熱設計，好的熱設計能最大幅度地增加可以使用的充電電流，否則芯片內部自帶的熱反饋鏈路將會對充電電流進行自動調節，達到對芯片溫度的安全限制。其散熱通路就是從芯片到引線架構，再通過芯片底部散熱片到達 PCB板的銅面以消耗IC所產生的熱量。在PCB布局時，與芯片散熱片相連的銅面積應盡可能寬闊，并向芯片外延伸至較大的銅面積以使熱量散插到周圍環境中，芯片散熱片中使用多通孔能利于改善充電芯片整體熱性能，鋰離子電池的放置對充電管理部分總體溫升及最大充電電流也有一定影響。

4.2 模塊調試

在原理設計時為了隔離穩壓部分和升壓部分，使用了肖特基功率整流開關，由于肖特基整流開關導通的電壓在0.4-0.5V之間，為了能更好的隔離這兩個模塊，穩壓部分的穩壓輸出必須要稍大于升壓部分的輸出，否則隔離無效，導致系統工作不穩定。對于穩壓部分通過電阻分壓反饋調整其輸出為5.05V，升壓部分調整為4.95V。

充電電流的大小與充電時長成反比，本充電管理部分使用的TP4056標稱工作在大充電電流模式下（700mA以上），但實際充電電流一般都是小于此值，設計時除了 PCB中需要考慮芯片的熱設計，在調試時還要考慮在芯片IC電源供應部分增加熱耗散電阻，這樣可以縮短鋰離子電池的充電時間。

控制電路部分主要是由8550三極管和外圍分壓電阻網絡組成，由于充電管理部分和升壓部分使用的芯片帶有欠壓保護功能，因此在設置芯片使能和禁能電壓時要注意參考芯片的UVLO（Under Voltage Lockout）。

5 結論

本文根據通用的衛星導航終端對供電電源提出的參數要求，使用了拼接方法來設計了一款寬輸入電壓范圍的穩壓電源。通過對開關電源及充電電源管理的相關原理學習，選擇出合適的元器件及元器件參數值。在得出系統原理設計圖后，對開關電源的 PCB設計進行了一定的分析，并對電源系統做了最后的物理實現，進過實驗測試，性能優越，達到設計初期的指標，進一步也驗證了本設計方案的正確性。

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