基于FP5139的可調(diào)節(jié)電壓源適配器

2015-07-19 11:40:52王澤平王旭柱中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院山東青島266100

中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2015年11期

王澤平　　王旭柱（中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266100）

王澤平王旭柱
（中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266100）

摘要：本文介紹了一種基于FP5139芯片設(shè)計的輸出電壓可調(diào)電源適配器，該適配器可以將穩(wěn)壓電源的輸出電壓連續(xù)調(diào)節(jié)并顯示，可以應(yīng)用于手機(jī)、ipad、筆記本電腦等電壓源，實現(xiàn)一個電源多種應(yīng)用的目的，有較大的實用性。該系統(tǒng)采用FP5139作為核心處理芯片，通過調(diào)整外接可變電阻，改變電路的輸出電壓，實現(xiàn)電壓輸出的調(diào)節(jié)并顯示。

關(guān)鍵詞：高精度；可調(diào)電壓源；FP5139

1　引言

隨著便攜式移動設(shè)備的普及，人們對電源的需求越來越高，然而不同移動設(shè)備需要的電源電壓各不相同，大大影響了我們的使用，為此我們設(shè)計了一種輸出電壓可調(diào)的電源適配器，可以連續(xù)輸出5V~19.9V電壓，能夠適用于大多數(shù)移動設(shè)備，方便我們的日常生活。

2　硬件設(shè)計

適配器由以下部分組成：輸入電壓、FP5139控制芯片、輔助元件、反饋電路、輸出電路，電壓顯示電路。輸入電壓，為整個適配器供電，輔助元件與FP5139控制芯片產(chǎn)生穩(wěn)定的方波，方波進(jìn)入輸出電路，通過CMOS門電路的整流，產(chǎn)生穩(wěn)定的直流輸出電壓。當(dāng)調(diào)整反饋電路的電阻時，可以使適配器的輸出電壓發(fā)生改變，并通過電壓顯示電路顯示。適配器的總體框圖如圖1所示。

圖1

2.1FP5139控制芯片（圖2）

FP5139的各個接腳：

1-誤差放大器輸入端；2-軟啟動及短路保護(hù)輸入端；3-參考電壓源；4-接電阻到地，產(chǎn)生輸出端控制電流；5-輸出端；6-接地；7-RC震蕩回路接入端；8-誤差放大器輸出端。

圖2

RC震蕩回路與外接電容電阻產(chǎn)生鋸齒波，鋸齒波與誤差比較器的另外三個接腳的電壓進(jìn)行比較。當(dāng)電路剛剛啟動時，由于誤差放大器負(fù)輸入端沒有信號，這會導(dǎo)致其輸出端產(chǎn)生一個較大的信號，使比較器直接放至最大，這是比較器不允許的，比較器會停止此腳與負(fù)腳的比較，這時軟啟動及短路保護(hù)電路會通過對外接電容進(jìn)行充電，產(chǎn)生一個線性變化的信號與負(fù)接入端進(jìn)行比較，產(chǎn)生逐漸放大的電壓信號，產(chǎn)生輸出。同理，當(dāng)電路短路時，也會產(chǎn)生同樣的變化，起到短路保護(hù)的作用，其作用時間由2腳連接的電容決定。當(dāng)軟啟動完成后比較器的輸出主要取決于DTC電壓，誤差放大器補(bǔ)償端輸出電壓，和鋸齒波的比較關(guān)系，一般情況下DTC電壓為一固定電壓，比較器輸出的變化由另外兩個決定。

FP5139芯片輸出控制模塊接有恒定的電壓源并與4腳連接，當(dāng)4腳通過一電阻接地時，會產(chǎn)生一恒定的電流，此電流通過源電流鏡電路與三極管連接產(chǎn)生輸出電壓。通過外接電阻和電源電壓可以算出電流，又通過兩個三極管的飽和電流增益可以算出FP5139電流驅(qū)動能力。

2.2輔助元件

輔助元件為FP5139芯片外接的各種電容電阻，結(jié)合FP5139芯片，實現(xiàn)芯片的功能，如構(gòu)成RC震蕩回路，決定軟啟動及保護(hù)電路作用時間等。

圖3

2.3反饋電路

系統(tǒng)的輸出通過反饋回路連接到誤差放大器的負(fù)輸入端，也就是FP5139的1腳，通過R2、R6以及FP5139內(nèi)部與放大器正輸入端連接的內(nèi)置電源0.5V、與輸出端連接的36K、500Ω的電阻、與8腳連接的C1共同實現(xiàn)反饋。具體電路如圖3所示，其由誤差放大器決定系統(tǒng)升壓的電壓輸出公式為

從這里可以看出系統(tǒng)的輸出電壓由反饋電路決定，當(dāng)反饋電路的R2和R6發(fā)生改變時，系統(tǒng)的輸出就會發(fā)生改變，由此，我們通過改變R2和R6的比值，就可以實現(xiàn)輸出電壓的改變，將R6設(shè)定為一合適的阻值，R2設(shè)定為一變阻器，就可以實現(xiàn)輸出電壓可調(diào)的電壓源。

2.4輸出電路

FP5139輸出端輸出的是一系列方波，當(dāng)誤差放大器提供到比較器的電壓升高時，方波的占空比將會增大。我們在FP5139的輸出端連接一NMOS電路，這樣當(dāng)占空比改變時，NOMS的開關(guān)時間比例就會改變，輸出電路就是通過NOMS的開關(guān)控制電流的輸出，進(jìn)而改變輸出電壓的大小。當(dāng)NOMS導(dǎo)通時，Q相當(dāng)于短路，電源對電感進(jìn)行充電，當(dāng)NOMS斷開時，Q相當(dāng)于斷路，這時，電感放電，電容充電，通過電容的充放電，輸出端就會有電壓產(chǎn)生，這就是控制電壓的原理。

3　電路實現(xiàn)

3.1可調(diào)電壓電路

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如圖4所示，利用FP5139實現(xiàn)高精度電壓可調(diào)電源，R5和C6為RC震蕩回路，通過R5和C6決定電路的震蕩頻率，C1為反饋電路的外接電容，決定了反饋電路的零點和極點，C5控制軟啟動和短路保護(hù)時間。R4控制FP5139的驅(qū)動電流能力。

下面我們來計算各個元件的參數(shù)：

我們假定工作頻率為450kHz，輸入電壓為5V，輸出電壓為5V~19.9V，電壓變化50mVp-p。

電感L1：邊界電感公式為

其中D為電感導(dǎo)通的占空比，即NOMS導(dǎo)通的占空比，輸出為19.9V時，D為1-（5V/19.9V）=0.75，當(dāng)輸出為5V時，D為0，以0.75為準(zhǔn)。R為等效輸出電阻，T為工作周期。假設(shè)邊界負(fù)載電流為60mA，我們可以算出L最小取值17.27uH，這里我們?nèi)1為20uH。

電容C8：電容充放電時，其占空比為D，周期為T，則電容電流波形在（1-D）T時間內(nèi)，為電感放能，其關(guān)系式為

R5和C6：R5和C6控制震蕩頻率，我們前面已經(jīng)假定頻率為450kHz，由前面知道

輸入電容C7：輸入電容的作用是用于電源的輸入端使輸入電壓保持穩(wěn)定，假定我們要求電源電壓的變化率低于0.5%，那么我們使用的C7必須大于或等于33.4uF。

開關(guān)元件Q2和D1：開關(guān)元件的選擇較為簡單，主要是考慮輸入到開關(guān)元件的電壓和電流不要超過其本身的要求，另外由于FP5139到NOMS的電壓較低，我們應(yīng)該注意NMOS的Vgs（ON）這項規(guī)格，防止電壓過低，無法使NMOS導(dǎo)通，這里我們選擇AP2306N和SCD24作為Q2和D1

反饋電路R2和R6：如前文所述

我們要設(shè)計的電路輸出電壓要求為5V~19.9V，這取決于R2和R6的比值，我們?nèi)6為10kΩ，R2為90k-399k的變阻器。這樣我們可以得到要求設(shè)計的電壓。

電流控制電阻R4：由于FP5139產(chǎn)生的電流進(jìn)入NMOSAP2306，當(dāng)FP5139輸出高電平時，相當(dāng)于要給NOMS的G和S端等效電容充電，由前面可知DT為0-1.65us，我們要求導(dǎo)通時間中Ton和Toff的時間只占1/10，我們已知AP2306的GS端等效電荷Qg為8.7nC，我們根據(jù)電荷公式Ig=Qg/ Ton，可以得到Ig最小為52mA，電壓和電流有了，就可以得到最小電阻為38歐姆，這里我們使用的R4為1kΩ。

我們?nèi)5為3.9kΩ，C6取270pf，符合要求。

軟啟動及短路保護(hù)電路外接電容C5：軟啟動時，F(xiàn)P5139的2腳對C5充電，由于

我們可以求得軟啟動時間t1=0.35×C，短路保護(hù)時間他t2=0.75×C，這里我們?nèi)5 為0.1uF，這樣，軟啟動時間為35ms，短路保護(hù)時間為80ms。

零點極點控制電容C1：C1決定了反饋回路的零點和極點，我們需要系統(tǒng)能夠平穩(wěn)的頻率較寬，這樣我們就要盡量讓零點頻率前移

因此要讓C1足夠大，我們選擇C1為0.8uF，其零點頻率為400Hz。

3.2電壓顯示電路

如圖5所示為電壓顯示電路，首先使用MC14433A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，將前面所獲得的電壓V1輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的輸入端，實現(xiàn)模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的目的，然后使用譯碼器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為可以被二極管顯示的七段顯示信號，這里我們使用CD4511譯碼器，這樣數(shù)字信號便可以通過其七個輸出腳與顯示器相連，顯示器我們選用5共陰極LED顯示器，其驅(qū)動電源為MC1413電路。