從USB如何獲得高效的雙軌電源？

設計5V以外電源的小功率USB電路時(shí)，您必須確定是使用獨立電池，還是使用來(lái)自主機的小型電源。如果電路需要大于5V的雙軌電源(如采用了基于運放的儀表放大器)，或必須用于便攜計算機如筆記本電腦上，則問(wèn)題就更復雜了。

USB2.0標準規定了對連接設備的功率要求，即耗電最大100mA，視為小功率;耗電最大500mA，則視為大功率。本文所述電路原用于一個(gè)熱致發(fā)光(TL)儀器設計，設計中的微控制器、USB接口控制器，以及10個(gè)運放均作為小功率器件，從一個(gè)USB端口獲得全部電源。

設備的運行需要有高性能、低噪聲拾取，使系統射頻輻射盡可能低。在搭建電路以前，做過(guò)仿真與驗證，然后用于TL系統。本設計的吸引力在于，由于它采用的是常見(jiàn)元器件，提高了可重復性，同時(shí)降低了成本。

電路運行原理基于反激概念(圖1)，運行期間，一只小型變壓器受一只脈沖調制555非穩電路的驅動(dòng)，工作頻率在115kHz~300kHz。高工作頻率可以使電路的整體尺寸較小，同時(shí)提供相對較高的功率輸出以及良好的調節性，使輸出濾波更容易做到低紋波。

實(shí)際電路中用一只MOSFET來(lái)實(shí)現開(kāi)關(guān)。圖1中，二極管對正的VOUT表現為正偏。將二極管和一個(gè)變壓器繞組極性反向，就獲得一個(gè)負的VOUT。電路工作在三個(gè)不同的相位。在相位一，開(kāi)關(guān)閉合，因電流流過(guò)變壓器初級，能量以磁場(chǎng)形式存儲起來(lái)。二極管反偏，次級沒(méi)有電流流過(guò)。

在相位二，開(kāi)關(guān)打開(kāi)，二極管變成正偏，能量從磁場(chǎng)傳送給電容C。在相位三，能量的轉儲完成，在開(kāi)關(guān)漏源電容中存儲的任何剩余電荷都被完全釋放。然后重復這個(gè)循環(huán)。

為更好地解釋電路的工作原理，比較簡(jiǎn)單的辦法是假定恰在時(shí)間t=0以前，濾波器電容已經(jīng)放電到標稱(chēng)輸出電壓，而通過(guò)變壓器初級線(xiàn)圈的電流為零。t=0時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合，電流開(kāi)始流經(jīng)初級線(xiàn)圈。這樣就會(huì )在次級線(xiàn)圈上產(chǎn)生一個(gè)電壓，極性如圖1所示。由于二極管是反偏，因此沒(méi)有次級電流流過(guò)，次級線(xiàn)圈相當于開(kāi)路。變壓器初級端的作用就好比一個(gè)簡(jiǎn)易裝的電感器。初級電流呈線(xiàn)性增加，公式如下：

在開(kāi)關(guān)閉合期間，次級線(xiàn)圈上的感應電壓為nVCC。因此，二極管必須承受的最小反偏電壓為(nVCC+VOUT)。過(guò)了既定時(shí)間后，開(kāi)關(guān)打開(kāi)。在實(shí)際電路中，這相當于MOSFET被關(guān)閉。假設初級線(xiàn)圈中的電流在該時(shí)刻為IPK，則電感器中存儲的磁場(chǎng)能量就等于:

由于初級線(xiàn)圈與次級線(xiàn)圈之間的磁通量，當初級電路開(kāi)路時(shí)，電感器中存儲的但正在崩潰的磁場(chǎng)在次級端中感應出了足夠高的電壓(>VOUT)，使二極管正偏。電流的初始值為I2=IPK/n。在二極管正偏期間，次級線(xiàn)圈上的電壓將為(VOUT+0.7)。這也可以看作初級端電壓向下變換為VOUT/n。因此，當開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，它必須承受的實(shí)際電壓是:

這個(gè)公式強調了反激轉換器相對于有相當輸入輸出電壓的升壓轉換器的優(yōu)勢，即當開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，降低了它必須承受的電壓。事實(shí)上，“關(guān)斷”周期的電壓降低到一個(gè)值，該值由變壓器線(xiàn)圈匝數比確定。這樣就可以使用較低擊穿電壓的MOSFET。另外，在升壓轉換器拓撲中，二極管必須同時(shí)承受“開(kāi)啟”時(shí)的高電流，以及“關(guān)斷”時(shí)的高反向電壓。而在反激轉換器中，次級端的二極管在電流較低時(shí)(IPK/n)，需要承受高電壓。這樣就允許使用較小電容的二極管，從而獲得較快的開(kāi)關(guān)速度，因而減少了能耗，提高了效率。

雖然這超出了我們的電流范圍，您仍可以計算輸出電壓，方法是讓L1中的能量輸入量等于傳送給負載RLOAD的能量。穩態(tài)時(shí)，輸出與開(kāi)關(guān)的占空比D以及開(kāi)關(guān)工作的頻率有關(guān)，即開(kāi)路輸出電壓公式為：

在圖2的實(shí)際電路中，可以找到圖1基礎反激電路的所有元件。不過(guò)，這里做了一些微調，以實(shí)現更好的運行穩定性。例如，配置兩只輸出二極管，這樣就可以獲得雙軌輸出。另外，正電壓軌反饋由R4和R5構成的分壓器采樣，其電平由電容C2做平順。普通的555非穩態(tài)工作時(shí)也可能產(chǎn)生輸出波形，這是由于時(shí)序電容(C1)通過(guò)R1和R2的和，從VCC充電，并通過(guò)R2放電。在所使用的電阻值(即R2>>R1)下，占空比接近50%。充電/放電電壓被內部設定為VCC/3和2VCC/3(即，如果在5V下運行，則分別為1.67V和3.33V)。沒(méi)有反饋時(shí)，圖2中給出的開(kāi)環(huán)輸出電壓約為20V。

反饋工作原理如下：晶體管Q1關(guān)斷，直到其基極電壓(VBE)約為0.55V。這樣，輸出電壓可依照以下公式計算:

由于反激的作用，輸出電壓持續升高，Q1被驅動(dòng)得更厲害，使其集電極電壓下降。由于集電極連接到555定時(shí)器的控制輸入端，其標稱(chēng)的上限約為(2VCC/3)，于是使電容以相同的速率充放電，但處于一個(gè)狹窄的電壓區間。其效果是，同時(shí)減小了用于驅動(dòng)MOSFET開(kāi)關(guān)的輸出脈沖的開(kāi)關(guān)次數。頻率與占空比(D)上的凈變動(dòng)使VOUT下降，最終降低了反饋電壓，也減少了Q1的“導通”時(shí)間。

電路需謹慎設置的其中一項是反激變壓器。經(jīng)過(guò)測試，多款自制變壓器的工作性能良好。最終確定的方案是重新使用一個(gè)RFI抑制電感的磁芯，它主要出現在電視機開(kāi)關(guān)電源的電源輸入端。變壓器初級采用多股繞線(xiàn)，以減少串聯(lián)電阻。例如，使用四股0.3mm絕緣銅線(xiàn)，緊密纏繞七匝，所得初級電感為30μH，測得電阻為0.03Ω。較低的線(xiàn)圈電阻減少了電感器在開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱，從而達到更高的效率。RS-Electronics(RS庫存號647-9446，由Epcos生產(chǎn))現有一款適用的、市場(chǎng)上可以買(mǎi)到的鐵氧體磁芯和繞線(xiàn)骨架套件。