一種用于4G通信模塊的低壓差電源設(shè)計(jì)方法

戚凱 王銀 孫賓 朱龍飛

摘 要：目前，4G通信模塊在電力信息采集行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。根據(jù)行業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)，要求模塊在裝置的正常工作電源掉電的情況下，仍具有保持與主站通信1 min以上的能力。因此，4G通信模塊通常使用超級(jí)電容或充電電池作為備用電源。為延長裝置掉電狀態(tài)下4G通信模塊的工作時(shí)間，需要使用低壓差的電源轉(zhuǎn)換電路將備用電源電壓轉(zhuǎn)化為模塊工作電壓。該文介紹了一種高性價(jià)比、高可靠性的低壓差開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)此需求。

關(guān)鍵詞：低壓差；開關(guān)電源；4G通信模塊

中圖分類號(hào)：TN402 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展及資費(fèi)的大幅下降，電力系統(tǒng)的用電信息采集網(wǎng)絡(luò)逐漸開始使用支持全網(wǎng)通模式的4G通信模塊。為了提高客戶服務(wù)水平，電力運(yùn)營商在用電信息采集系統(tǒng)深化應(yīng)用方面開展了大量工作，其中臺(tái)區(qū)停上電上報(bào)功能是其中的重要功能。為保證集中器在市電供電丟失的情況下，仍能與主站通信3次以上，上報(bào)停電事件，要求集中器的備用電源可支持集中器運(yùn)行1 min以上，因此需使用低壓差的供電電路延長備用電源的供電時(shí)間。

目前開關(guān)電源應(yīng)用的占空比主要在65%以下，但是，在采用低壓差的電源轉(zhuǎn)換電路為4G通信模塊供電時(shí)，其輸出電壓近似于輸入電壓，電源占空比接近100%，導(dǎo)致開關(guān)電源開關(guān)管大部分時(shí)間處于導(dǎo)通狀態(tài)，而開關(guān)周期內(nèi)開關(guān)管的關(guān)閉時(shí)間很短，從而導(dǎo)致與開關(guān)管有關(guān)的自舉電容的充電時(shí)間較短，不能維持開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)所需的電壓和能量，進(jìn)而導(dǎo)致開關(guān)電源的輸出電壓異常，無法維持4G通信模塊的正常工作。該文介紹了一種高性價(jià)比、高可靠性的低壓差開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法，在充電模塊與開關(guān)電源輸出管腳自舉電容之間增加RD充電線路，從而提高了自舉電容充電電壓，解決了低壓差應(yīng)用下開關(guān)電源輸出電壓不穩(wěn)的問題。經(jīng)過實(shí)際測試，其結(jié)果與理論分析相符，證明此開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法能夠很好地滿足應(yīng)用需求。

1 低壓差開關(guān)電源電路原理圖

在采用低壓差的開關(guān)電源為4G通信模塊供電時(shí)，自舉電容在開關(guān)周期內(nèi)的充電電壓無法滿足4G通信模塊正常工作的需求。因此，要使充電電容獲得足夠的電壓和能量，就需要增大充電電容兩端的電壓。該文提出的設(shè)計(jì)方法中除了開關(guān)電源之外還設(shè)置有充電模塊，該充電模塊連接開關(guān)電源中與開關(guān)管相關(guān)的自舉電容，為自舉電容充電。這樣在不改變開關(guān)管對(duì)自舉電容進(jìn)行充電的時(shí)間的情況下，可以使充電電容獲得足夠的電壓和能量，進(jìn)而可以保證開關(guān)管在導(dǎo)通時(shí)所需要的電壓和能量，保證輸出電壓正常。并且采用此設(shè)計(jì)方法可以在開關(guān)管導(dǎo)通后，維持較長時(shí)間的電荷積累過程，因此不會(huì)出現(xiàn)輸出電壓跌落的異常情況，進(jìn)一步保證了輸出電壓正常，以維持4G通信模塊的正常工作，從而解決了特殊條件下4G通信模塊的供電問題，提高了開關(guān)電源的利用效率。

充電模塊的實(shí)現(xiàn)方式有很多種，該文給出其中2種：

第一種，充電模塊包括供電單元和充電線路。供電單元可以是常規(guī)的直流電壓輸出設(shè)備；充電線路的一端連接供電單元，另一端連接開關(guān)電源中與開關(guān)管相關(guān)的自舉電容。第二種，由于開關(guān)電源的電壓輸入端連接有直流電，因此，可以直接利用開關(guān)電源的輸入端的直流電為自舉電容充電。此時(shí)，該充電模塊就僅是一條充電線路，該充電線路的一端連接開關(guān)電源的電壓輸入端，另一端連接開關(guān)電源中與開關(guān)管相關(guān)的自舉電容。

如圖1所示，開關(guān)電源芯片為美國芯源公司的MP2315，電源芯片U1內(nèi)部集成了MOSFET管。電路中VIN節(jié)點(diǎn)為開關(guān)電源芯片的輸入端，輸入范圍為4.5 V～5 V。為了解決低壓差的情況下，開關(guān)電源輸出電壓異常的問題，在電路中增加了一條充電線路（圖1中D1、R4），該線路的一端連接開關(guān)電源的電壓輸入VIN端，另一端連接自舉電容C4。為了保證為自舉電容單向供電，在充電線路上串設(shè)有二極管單元。為減小二極管壓降，二極管單元由2個(gè)二極管同向并聯(lián)構(gòu)成。此外，為進(jìn)一步減小二極管壓降，二極管還可采用肖特基類二極管。另外，充電線路上還串設(shè)充電電阻R4，用于消除噪聲干擾，減小壓降，電阻R4可選小阻值電阻。雙二極管和電阻R4組成了RD充電線路。

該文分別測試了輸入電壓為4.5 V，有RD充電線路和無RD充電線路情況下的輸出電壓。結(jié)果表明，無RD充電線路時(shí)輸出電壓較低，而且不穩(wěn)，有短暫電壓跌落情況；而增加RD充電線路后，輸出電壓穩(wěn)定為4 V，輸出正常。

2 開關(guān)電源芯片分析

開關(guān)電源在沒有RD充電線路的情況下，開關(guān)管關(guān)斷后，電源輸入電源VIN經(jīng)升壓調(diào)節(jié)器及內(nèi)部二極管為自舉電容C4充電，充電電流方向自芯片VIN管腳，經(jīng)內(nèi)部升壓調(diào)節(jié)器后至BST管腳，輸入電壓Vin為4.5 V時(shí)，電容C4只能充電至2.8 V。增加RD充電線路后，電源輸入VIN經(jīng)RD充電線路（圖1中D1-R4-R5）為自舉電容C4充電。由于二極管響應(yīng)速度快、壓降低，自舉電容C4能夠充電至3.8 V，儲(chǔ)存更多能量，從而可以保證開關(guān)管的正常導(dǎo)通，進(jìn)而保證輸出電壓正常。并且，在開關(guān)管導(dǎo)通后能維持較長時(shí)間的電荷積累過程，不會(huì)出現(xiàn)輸出電壓跌落的異常情況。因此，在開關(guān)電源裝置中增加RD充電線路，可以提高自舉電容C4兩端的電壓，解決了開關(guān)電源低壓差狀態(tài)下輸出電壓不穩(wěn)定的問題，保證為4G通信模塊提供穩(wěn)定的工作電壓。

3 關(guān)鍵器件參數(shù)計(jì)算

3.1 儲(chǔ)能電感L1的參數(shù)計(jì)算

4 結(jié)語

該文提出的低壓差開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法，通過在充電模塊與開關(guān)電源輸出管腳自舉電容之間增加RD充電線路，從而提高了自舉電容的充電電壓，解決了開關(guān)電源低壓差應(yīng)用下輸出電壓不穩(wěn)的問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在4G模塊大電流通信情況下，低壓差開關(guān)電源可以滿足4G模塊穩(wěn)定工作的需求，且電路實(shí)現(xiàn)簡單，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

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