微功率隔離電源設計

　　如圖3所示，LM317L的基準壓差與溫度關(guān)系曲線(xiàn)近似于簡(jiǎn)單的三次多項式函數關(guān)系形式，只需要設計Y軸反向的補償函數即可，系統以20℃為補償基點(diǎn)進(jìn)行校準，具體補償公式為ΔI=A(t-20)2+B(t-20)3式中t為環(huán)境溫度。系數A和B可以依據實(shí)際采用的LM317L芯片手冊提供的基準電壓溫度曲線(xiàn)導出，最簡(jiǎn)單的做法就是取-20℃和60℃2個(gè)點(diǎn)，獲取2個(gè)二元一次方程來(lái)求解A和B。這樣就能很容易獲取一個(gè)擬合程度比較好的補償曲線(xiàn)近似函數，補償后的溫度漂移影響基本可以忽略不計。

　　1.2 DC/DC變換電路

　　由于電源最大的設計難點(diǎn)是輸入功率極小，因此對于隔離端的設計不能采用功耗比較大的隔離反饋模式，實(shí)際電路采用了副邊開(kāi)環(huán)的方式。具體使用MAX639來(lái)設計DC/DC核心電路，實(shí)現了較高的電能效率轉換，在315mA供電輸入時(shí)可以提供遠大于315mA的電流給電路供電，從而解決了智能系統大電流的需求。根據系統的要求，核心芯片必須具備微功耗、高效率、輸入電壓范圍寬，以及外圍器件簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。圖1中DC/DC芯片為MAXIM公司的MAX639[3]，它是降壓型DC/DC轉換芯片，它的主要特點(diǎn)：輸入電壓范圍寬(4~1115V);轉換效率高(可達90%以上);靜態(tài)電流低(10μA);可固定輸出或可調輸出。

　　電路設計為可調輸出，輸出設定為3V.輸出電流：Io=(Vi Iiη)/Vom

　　式中：Vi為輸入電壓;Ii為輸入電流;η為轉換效率;Vo為輸出電壓。

　　電路中Vi=812V，Ii=315mA，η=90%，Vo=3V，在不考慮隔離副邊輸出時(shí)，可獲得的Io約為816mA，這個(gè)輸出電流在微功耗系統中已經(jīng)是比較大的供給能力了。以上Io的計算只是理論上的，要想在315mA/812V這樣微輸入功率的條件下使電路可靠啟動(dòng)，并獲得90%以上的轉換效率需要對電路進(jìn)行非常細致的設計。

　　DC/DC的可靠啟動(dòng)是由許多條件制約的，必要的條件就是必須提供足夠大的啟動(dòng)脈沖電流。在Z1旁并聯(lián)了1只10μF的鉭電解電容C2提供啟動(dòng)保證，同時(shí)也能夠有效避免DC/DC的工作對LM317的恒流特性產(chǎn)生干擾。電感L1對DC/DC的轉換效率起決定作用，MAXIM手冊提供的算法是L1=50/IO，L1的單位是μH，IO的單位是A.實(shí)際電路中L1的取值為4mH，能夠保證電路在最大輸出功率下穩定工作，同時(shí)又能夠保證足夠高的轉換效率。需要強調的是，如果L1偏小，電路的轉換效率將降低，啟動(dòng)電流增大，甚至無(wú)法啟動(dòng)。如果L1偏大，則會(huì )造成輸出能力下降，同時(shí)DC/DC電路將可能產(chǎn)生振蕩。

　　為保證電路的穩定，DC/DC芯片對輸出電容C3有著(zhù)很高的要求，最重要的一點(diǎn)就是它的等效串聯(lián)電阻ESR必須足夠小[4]，同時(shí)要有足夠的容量。電路設計采用了性能優(yōu)良的10μF鉭電解電容器，能夠保證穩定的輸出。

　　DC/DC芯片是該電路的核心，實(shí)際電路線(xiàn)路布局對電路的性能影響非常大，尤其對輸出的紋波有直接影響，不合理的電路板布局設計甚至會(huì )在輸出帶來(lái)額外的寄生振蕩，設計時(shí)必須注意。最重要的原則就是C2與LI引線(xiàn)端要盡量靠近MAX639引腳，C2、D2、MAX639、R3以及C3的接地引腳盡量靠近，盡量使用粗線(xiàn)，最好使用地平面。DC/DC的輸入電壓設定為812V，由Z1保證，如果實(shí)際的變送器要求的電源功率比較小，Z1則可以選擇更低的穩壓值，這樣能夠使整個(gè)電源對入口電壓要求更低。設計的入口電壓低限為12V，如果Z1選擇612V，則入口低限電壓可以降低到10V。