单片机电源模块的设计分析

引言

　　特种单片开关电源有两种设计方案：第一种是采用通用单片开关电源集成电路（例如TOPSwitch－Ⅱ、TOPSwitch－FX、 TOPSwitch－GX等系列），再配上电压控制环、电流控制环等外围电路设计而成的，其特点是输出功率较大，但外围电路复杂；第二种是采用最近问世的 LinkSwitch系列高效率恒压／恒流式三端单片开关电源芯片，或选用LinkSwitch－TN系列、DPA－Switch系列单片开关电源专用 IC，这样可大大简化电路，降低成本，适合构成中、小功率的特种开关电源。

1  2.5W恒压／恒流式充电器模块

　　下面介绍一种由LNK500构成的2.5W恒压／恒流式充电器模块。它适用于手机电池充电器、个人数字助理（PDA，即Personal Digital Assistant）、便携式音频设备、电动剃须刀、家用电器的内置电源（如彩电的备用电源、偏置电源）等领域。

1.1  性能特点和技术指标

　　1）采用高效率恒压／恒流式单片开关电源LNK500，交流输入电压范围是85～265V，当交流输入电压为265V时，漏电流<5μA，额定输出电压为5.5V，最大输出电流为0.45A，输出功率为2.5W。

　　2）低功耗，高效率，空载功耗<0.3W，电源效率的典型值η≈68％。

　　3）在峰值功率点，允许输出电压有±10％的误差，当初级电感量Lp的误差为±10％时，输出电流有±25％的误差。

　　4）电路简单，价格低廉，该电源仅需23个元器件，不需要次级反馈电路，用初级电路即可实现恒流／恒压输出，允许采用低价格、小尺寸的EE13型磁芯。

　　5）具有过热保护、输出短路保护及开环保护功能。

　　6）符合电磁兼容性国际标准CISPR22B／EN55022B。

1.2  2.5W恒压／恒流式充电器模块的电路设计

　　由LNK500构成2.5W恒压／恒流式充电器模块的内部电路如图1所示。FR为可自恢复熔断电阻器，它具有限流保护作用并能限制上电时的冲击电流。由VD1～VD4构成桥式整流，由电感L1、L2和电容C1、C2组成低功耗π型滤波器，能滤除电磁干扰。L2可采用3.3μH的磁珠。在LNK500内部功率MOSFET导通时，输出整流管VD6截止，此时电能就储存在高频变压器中。当功率MOSFET关断时，VD6导通，储存在高频变压器中的能量就通过次级电路输出。VD6采用1A／100V的肖特基二极管SB1100，R4和C7并联在VD6两端，能防止VD6在高频开关状态下产生自激振荡。C6为输出端滤波电容。R5为22kΩ的负载电阻。

图1    2.5W恒压／恒流式充电器模块的内部电路

　　由R1、C3和VD5构成的RCD型箝位电路具有以下功能：

　　1）当功率MOSFET关断时，对初级感应电压进行箝位；

　　2）能简化反馈电路的设计。

　　控制端的反馈电流由电阻R2来设定。刚启动电源时由控制端电容C4给LNK500供电，C4还决定了自动重启动频率。

　　为了降低电磁干扰，高频变压器的初级设计了两个绕组，分别为NP1及NP2。NP2被称为“抵消绕组”（cancellation winding），它经过R3及C5接初级返回端，能降低初级电路中的电磁干扰。此外，在初、次级之间还需增加屏蔽层。

　　LNK500只适合在不连续模式下工作，其输出功率由式（1）确定。

　　PO≈0.5ηLPIP2f（1）

　　式中：PO为输出功率；

　　η为电源效率；

　　LP为高频变压器的初级电感；

　　IP为LNK500的峰值电流；

　　f为开关频率。

　　不难看出，PO与LP成正比，IP2f的大小则受LNK500控制。

　　高频变压器采用EE13型磁芯，配8引脚的骨架。初级绕组NP1用φ0.13mm漆包线绕90匝，NP2用φ0.16mm漆包线绕22匝，次级绕组用两股φ0.25mm的三重绝缘线绕5匝。在初、次级绕组之间用3股φ0.25mm漆包线绕5匝，作为屏蔽层。初级电感量LP=2.3mH（允许有±10％的误差）。高频变压器的谐振频率不低于300kHz。

　　2.5W恒压／恒流式充电器的输出特性如图2所示。

图2    2.5W充电器的恒压／恒流输出特性