一種具有反接保護的外部使能電源設計

中國兵器工業第二一四研究所 高 慧 李 坤 傅旭東 賈丹丹

電源電路為提高可靠性、達到保護電路的作用，靈活控制電源的開啟和關閉目的，通過介紹降壓電源電路工作原理，提出一種反接保護、外部使能等功能的具體電路設計。通過電路原理分析，設計電路實現電源基本輸出電壓功能外還能夠保護電路，提高可靠性，且實現自動控制電源的開啟和關閉。

電源電路除了基本的輸出性能滿足技術要求之外，可靠性、可控性的設計應用有待進一步提高。通過系統性地描述降壓電源電路的工作原理，對各個基本功能的實現電路設計具體說明，包括防反接電路、外部使能電路等。根據實際電路應用結果，設計的電路能有效提高可靠性，保護電路，同時可通過外部電路實現自動化控制。

1 降壓電源電路工作原理

降壓電源電路由輸入正極V-in、負極GND，輸出正極Vout、負極GND，使能端EN，降壓電源轉換器N1及轉換器周邊電路組成，具體原理圖見圖1所示。

圖1 降壓電壓工作原理圖

當N1電源轉換器內的開關管導通時，輸入的整流電壓經過開關管和電感向輸出電容充電，這一電流使電感中的儲能增加。當開關管截止時，電感感應出左負右正的電壓，經負載釋放電感中存儲的能量，維持輸出直流電壓的不變。

2 降壓電源電路設計

利用直流降壓轉換器N1內部集成的功能，在其外圍添加能夠實現多種功能的電路，達到穩定電壓、穩定電流、防反接、外部使能等功能的實現。

2.1 輸入防反接保護功能

輸入正極電壓V-in經過二極管D1，電容C2、C6到轉換器的Vin和Pvin端。

輸入防反接保護功能電路由D1二極管組成。利用二極管的單向導電性，當輸入電源正極V-in、負極GND正確接法時，電壓通過二極管輸入到轉換器N1的Vin和Pvin端；當輸入電源正極V-in、負極GND接反后，因二極管反向截止，電流不能通過二極管，起到保護作用，不會損傷轉換器集成電路。

為最小化輸入電壓的紋波，且能確保電路正常工作，選用一個低阻抗的陶瓷電容C6，10uF與地連接；考慮若后續電路布局轉換器的Vin和Pvin端連線很長，影響電路高頻性能，選用一個低阻抗0.1uF的陶瓷電容C2與地連接。

轉換器的Pvin端是功率電源輸入端；Vin端是轉換器內部電壓調節器的供電端，故兩個引腳端連接在一起。

2.2 電壓輸出功能

輸入電壓經過降壓轉化器N1內部電路的作用，從Pvout端輸出穩定的電壓Vout。

2.2.1 功率電源功能

轉換器內部Pvin端到Pvout功率電源的原理示意圖如圖2所示。

圖2 功率電源原理示意圖

功率電源電路內部由4個N溝道MOS開關管和它們相關的門驅動器，外部包括圖1中電容C7、C8、C12、C13、電感L1組成。一個內部脈沖寬度調節器產生適當的占空比來控制門驅動器的工作，進而調節MOS管開關的導通和截止，以保持輸出電壓的穩定調節。當輸入高電壓降到輸出低電壓，轉換器工作在降壓模式，除了開關最低電平持續時間，MOS管D在整個周期內保持導通狀態，電感L1右側的電壓可以輸出到Pvout端。在開關最低電平持續時間，MOS管C導通，迫使SW2保持低電平，并且給電容C8充電，確保MOS管D對應的門驅動器電源在BST2上保持不變。Pvout輸出低電平，由于輸出電容C12、C13容值較大共44uF，在短時間內放電的電量較少，故Pvout端壓降基本保持不變。MOS管A和B的工作占空比由PMW調節，保持輸出電壓工作在降壓模式。

電感L1選用一個低阻抗，范圍在4.7uF與15uF之間，在降壓工作模式，大電感可以減少電感上電流紋波，所以本設計選用10uF的電感。輸出電容值選取方法與輸入容值一致，最小化輸出電壓紋波。C7、C8選用68nF的陶瓷電容。

2.2.2 采樣反饋穩壓輸出

Pvout端輸出電壓通過電阻采樣，反饋電壓到轉換器N1內部，通過內部電路比較調節，最終輸出穩定的電壓。采樣反饋電路示意圖如圖3所示。

圖3 采樣反饋原理示意圖

輸出電壓經過采樣電阻R4、R5分壓，電阻R5上壓降通過FB端反饋到轉換器內部。反饋電壓輸入到內部高增益跨導誤差放大器，并且輸出壓降VC。VC連接到一個高增益、積分放大器的同相端，放大器負端通過設定的增益電阻Rcs1、內部頻率補償網絡Rcs2、Ccs1、Ccs2連接到電感電流感應電路。積分放大器的輸出提供周期占空比命令到PWM脈沖寬度調制電路。

如果Vout上功率轉換負載增大，Vout的瞬時電壓將會稍稍下降，FB上壓降下降，導致誤差放大器的輸出VC電壓升高。當VC升高的一瞬，積分放大電路的輸出VIA也立刻升高，發出更大的周期占空比的命令。電感電流感應電路交互檢測SWA、SWB的電流，通過一個電阻Rx產生壓降，即將電感電流波形轉換為電壓。占空比增大會導致一個較高電感電流值，最終Rx上的電壓升高。一旦Rx上電壓與VC值相等，VIA上電壓恢復接近它的先前值作用于脈沖寬度調節器，調節電流占空比以保持電壓穩定調節在一個新的更高電感電流水平上。通過轉換器內部電路一系列的調節，Pvout端的輸出電壓保持穩定。

電壓誤差放大器的同相端預置1V，FB的標稱電壓是1V，預實現12V的穩壓輸出。即FB=R5/(R4+R5)=1V，取R4=2MΩ，則R5約為182KΩ。

2.2.3 突發模式工作

突發模式工作原理圖見圖4所示。

圖4 突發模式原理示意圖

當MODE腳是低電平，轉換器工作在突發模式。在輕負載時，當輸出電壓達到它的標稱調節值，轉換器將進入待機或休眠狀態。休眠狀態停用脈沖寬度調節器，并且關閉轉換器所有非必需的功能，大大地減少轉換器的靜態電流，有效地改善總功率的轉換效率。

由于轉換器不在休眠狀態下工作，輸出電壓會以一定的速度慢慢衰減。當輸出電壓已經衰減1%，轉換器會被激活，重新繼續啟動脈沖寬度調節器工作，直到Vout上的電壓恢復到先前水平。如果負載非常輕，轉換器要切換幾個周期來恢復Vout，并且可能長時間休眠，這顯著提高效率。圖1設計電路中，MODE腳連接到地，是低電平，轉換器工作在突發模式。

2.3 電流輸出功能

電路的功率電流輸出回路與功率電壓輸出電路一致，如上圖2所示，平均輸出電流電路原理圖如圖5所示。

圖5 平均輸出電流電路原理示意圖

平均輸出電流電路可以監視或控制輸出電流。轉換器內部的一個電阻Rs，低直流偏置放大器直接檢測Vout線路上的電流，并分配產生一小部分電流Iout/25K到PROG端。PROG端與地之間的電阻R2、電容C5產生一個電壓與平均輸出電流成正比。如果PROG端電壓超過1V的參考水平，放大器輸出會拉低VC，并作用于脈沖寬度調節器，以調整占空比。平均電流輸出公式如下：Iout(AVG)≈25000*1V/Rprog。如果不考慮響應速度，C5容值至少3倍于電壓誤差放大器補償電容C11。為達到滿量程電流，選取電阻R2的阻值為20KΩ，C5的容值為33nF，即Iout(AVG)≈1.25A。

2.4 外部控制使能功能

通過使能電壓的設定，可以靈活開啟和關閉轉換器，使能原理示意圖如圖6所示。

圖6 使能電路原理示意圖

轉換器RUN腳除了作為一個數字信號輸入使能某些功能，其內部還包含一個精確比較器。當RUN被驅動高于它的數字閾值0.7V，LDO調節器被啟動，給內部控制電路提供電源。如果RUN電壓進一步增加，它超過精準閾值1.2V，轉換器所有的功能被啟動。如果RUN上壓降低于精確比較器閾值1.2V，轉換器將禁止開關工作，但是LDO調節器和控制電路將保持動力，除非RUN腳電壓低于0.7V。為了完全地關閉轉換器和減少輸入靜態電流，必需保證RUN低于0.3V。一旦轉換器被使能啟動，RUN比較器包含一個內置大約140mV的滯后，所以關閉閥門電壓會比開啟電壓低大約8.33%。在轉換器被使能后，RUN比較器內部閾值電壓為1.1V。RUN比較器對噪聲不敏感，但在PCB布局時，附近有噪聲大的組件，噪聲影響是不可避免的，可能引起轉換器的間歇開啟和關閉。因此在RUN腳與地之間加電容C1、C3，保證電路正常工作，容值的選取分別為0.1uF、10uF兼顧濾除高頻信號和低頻信號。電阻R1作為限流電阻，阻值為2KΩ，防止因外部輸入電壓、電流過大而損傷電路。

通過前文對各功能電路的具體原理進行說明，并分析各外部參數具體取值選取依據。降壓電源電路除了實現基本的輸出電壓、輸出電流功能，還設計了防反接電路和外部使能電路，提高電路的可靠性以及可控性，對電路穩定、高效、自動化工作提供良好的基礎。后期的實際電路應用中，電路的上述功能全部實現，設計電路合理、可靠。