基于FP5139的可調節電壓源適配器

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

中國新技術新產品 2015年11期

王澤平　　王旭柱（中國海洋大學信息科學與工程學院，山東青島 266100）

基于FP5139的可調節電壓源適配器

王澤平王旭柱
（中國海洋大學信息科學與工程學院，山東青島 266100）

摘要：本文介紹了一種基于FP5139芯片設計的輸出電壓可調電源適配器，該適配器可以將穩壓電源的輸出電壓連續調節并顯示，可以應用于手機、ipad、筆記本電腦等電壓源，實現一個電源多種應用的目的，有較大的實用性。該系統采用FP5139作為核心處理芯片，通過調整外接可變電阻，改變電路的輸出電壓，實現電壓輸出的調節并顯示。

關鍵詞：高精度；可調電壓源；FP5139

1　引言

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

2　硬件設計

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控制芯片產生穩定的方波，方波進入輸出電路，通過CMOS門電路的整流，產生穩定的直流輸出電壓。當調整反饋電路的電阻時，可以使適配器的輸出電壓發生改變，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-軟啟動及短路保護輸入端；3-參考電壓源；4-接電阻到地，產生輸出端控制電流；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生鋸齒波，鋸齒波與誤差比較器的另外三個接腳的電壓進行比較。當電路剛剛啟動時，由于誤差放大器負輸入端沒有信號，這會導致其輸出端產生一個較大的信號，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腳的比較，這時軟啟動及短路保護電路會通過對外接電容進行充電，產生一個線性變化的信號與負接入端進行比較，產生逐漸放大的電壓信號，產生輸出。同理，當電路短路時，也會產生同樣的變化，起到短路保護的作用，其作用時間由2腳連接的電容決定。當軟啟動完成后比較器的輸出主要取決于DTC電壓，誤差放大器補償端輸出電壓，和鋸齒波的比較關系，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4腳通過一電阻接地時，會產生一恒定的電流，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，結合FP5139芯片，實現芯片的功能，如構成RC震蕩回路，決定軟啟動及保護電路作用時間等。

圖3

2.3反饋電路

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

從這里可以看出系統的輸出電壓由反饋電路決定，當反饋電路的R2和R6發生改變時，系統的輸出就會發生改變，由此，我們通過改變R2和R6的比值，就可以實現輸出電壓的改變，將R6設定為一合適的阻值，R2設定為一變阻器，就可以實現輸出電壓可調的電壓源。

2.4輸出電路

FP5139輸出端輸出的是一系列方波，當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，這樣當占空比改變時，NOMS的開關時間比例就會改變，輸出電路就是通過NOMS的開關控制電流的輸出，進而改變輸出電壓的大小。當NOMS導通時，Q相當于短路，電源對電感進行充電，當NOMS斷開時，Q相當于斷路，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生，這就是控制電壓的原理。

3　電路實現

3.1可調電壓電路

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如圖4所示，利用FP5139實現高精度電壓可調電源，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時間。R4控制FP5139的驅動電流能力。

下面我們來計算各個元件的參數：

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為電感導通的占空比，即NOMS導通的占空比，輸出為19.9V時，D為1-（5V/19.9V）=0.75，當輸出為5V時，D為0，以0.75為準。R為等效輸出電阻，T為工作周期。假設邊界負載電流為60mA，我們可以算出L最小取值17.27uH，這里我們取L1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，為電感放能，其關系式為

R5和C6：R5和C6控制震蕩頻率，我們前面已經假定頻率為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。

開關元件Q2和D1：開關元件的選擇較為簡單，主要是考慮輸入到開關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，我們應該注意NMOS的Vgs（ON）這項規格，防止電壓過低，無法使NMOS導通，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，我們取R6為10kΩ，R2為90k-399k的變阻器。這樣我們可以得到要求設計的電壓。

電流控制電阻R4：由于FP5139產生的電流進入NMOSAP2306，當FP5139輸出高電平時，相當于要給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。

我們取R5為3.9kΩ，C6取270pf，符合要求。

軟啟動及短路保護電路外接電容C5：軟啟動時，FP5139的2腳對C5充電，由于

我們可以求得軟啟動時間t1=0.35×C，短路保護時間他t2=0.75×C，這里我們取C5 為0.1uF，這樣，軟啟動時間為35ms，短路保護時間為80ms。

零點極點控制電容C1：C1決定了反饋回路的零點和極點，我們需要系統能夠平穩的頻率較寬，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轉換器實現模數轉換，將前面所獲得的電壓V1輸入模數轉換單元的輸入端，實現模擬信號轉化為數字信號的目的，然后使用譯碼器將數字信號轉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，其驅動電源為MC1413電路。