徐 晶 ,曹昌圣
(1.武漢郵電科學(xué)研究院 湖北 武漢 430072;2.武漢長(zhǎng)江通信智聯(lián)技術(shù)有限公司 湖北 武漢 430072)
基于LTC3789的智能終端開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)
徐 晶1,2,曹昌圣1,2
(1.武漢郵電科學(xué)研究院 湖北 武漢 430072;2.武漢長(zhǎng)江通信智聯(lián)技術(shù)有限公司 湖北 武漢 430072)
針對(duì)一款應(yīng)用于公交的智能車(chē)載監(jiān)控終端,設(shè)計(jì)了一種基于Linear Technology公司的控制器LTC3789的四開(kāi)關(guān)Buck-Boost開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路。根據(jù)車(chē)載情況確定電源的開(kāi)關(guān)頻率、輸入輸出電壓范圍、電流范圍來(lái)選擇合適的電感,MOSFET管,輸入輸出電容等相關(guān)元器件,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電源電路。利用仿真軟件LTspice IV對(duì)電源的轉(zhuǎn)換效率和帶載能力進(jìn)行了仿真,驗(yàn)證了該開(kāi)關(guān)電源可穩(wěn)定輸出預(yù)期電壓并有較強(qiáng)的帶載能力。
LTC3789;Buck-Boost;開(kāi)關(guān)電源;LTspice IV
電源是電子設(shè)備的心臟,沒(méi)有電源一切電子設(shè)備將無(wú)法正常工作。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,電子設(shè)備的種類(lèi)越來(lái)越豐富,對(duì)電源的要求更加靈活多樣,其以輕、薄、小和高效率為發(fā)展方向。開(kāi)關(guān)電源作為電源的一種,現(xiàn)廣泛應(yīng)用于軍工、科研、通信等領(lǐng)域。開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù),控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率來(lái)維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源,其效率達(dá)到了70%~95%,被譽(yù)為高效節(jié)能電源,近幾年得到了比較迅速的發(fā)展[1-4]。
在公交車(chē)中,由于環(huán)境的影響,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)電壓不穩(wěn)的情況,因此,在該開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)要有較好的抗干擾的特性,能穩(wěn)定輸出電壓[5];另外,該車(chē)載終端需外接攝像頭、刷卡器、對(duì)講機(jī)等外部設(shè)備,所以,該開(kāi)關(guān)電源也應(yīng)有一定的帶負(fù)載能力?;谝陨弦笤O(shè)計(jì)了一種基于LTC3789的電源芯片的Buck-Boost開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。此開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)目標(biāo)是:當(dāng)輸入電壓為+5 V~+36 V時(shí),能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的+12 V電壓輸出并有較高的轉(zhuǎn)換效率和較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。
LTC3789是一個(gè)提供輸出電壓高于,等于或低于輸入電壓的電流模式控制器,其具有恒定頻率,它的電流模式架構(gòu)允許的鎖相頻率高達(dá)600 kHz,輸出電流反饋環(huán)路用于電池充電[6]。LTC3789具有4 V到38 V(最大40 V)的寬電壓輸入和輸出范圍以及工作模式之間的無(wú)縫轉(zhuǎn)換使該器件非常適用于工業(yè)控制、太陽(yáng)能和大功率電池供電系統(tǒng)等眾多應(yīng)用[7]。
LTspice IV是由Linear Technology公司提供的免費(fèi)模擬軟件,具有集成電路圖捕獲和波形觀(guān)測(cè)功能[8]。不但可以進(jìn)行瞬態(tài)分析、交流小信號(hào)分析、直流掃頻、噪聲分析、直流傳遞函數(shù)和直流工作點(diǎn)分析,而且還能計(jì)算仿真時(shí)間內(nèi)各器件的電壓、電流平均值和有效值,各器件的平均功率損耗和瞬時(shí)功率損耗,這個(gè)功能是其他的仿真軟件中沒(méi)有的,可極大地方便電源設(shè)計(jì),提高所設(shè)計(jì)電源的工作效率[9]。
基本電路如圖1所示。在電路中,運(yùn)用了4個(gè)N-MOSFET管的同步整流技術(shù),該技術(shù)采用導(dǎo)通電阻極低的MOSFET管來(lái)取代整流二極管,能在一定程度上降低電路的損耗,從而提高轉(zhuǎn)換效率[10]。
圖1 基于LTC3789開(kāi)關(guān)電源的電路圖
1)工作頻率的設(shè)定
LTC3789可提供一個(gè)200 kHz至600 kHz的可鎖相固定頻率,但是較高的工作頻率會(huì)使開(kāi)關(guān)損耗增加,從而降低了轉(zhuǎn)換效率。在本設(shè)計(jì)中選擇的開(kāi)關(guān)頻率 f為220 kHz[7]。
2)輸出電壓的設(shè)定
輸出電壓是由輸出電容兩端的外部反饋電阻分壓器設(shè)定的,通過(guò)與內(nèi)部的0.8 V參考電壓相比較得出輸出電壓。確定了輸出電壓的值后,R1和R2的阻值就可以根據(jù)輸出電壓來(lái)選擇。計(jì)算公式如下[7]:
3)電感的選擇
電感值的選擇與工作頻率大小相關(guān),為了提高效率,在實(shí)際電路中一般選擇底鐵氧體式的電感。電感的紋波電流被設(shè)定為在升壓模式下VIN(MIN)時(shí)的最大電感電流的20%~40%,電感值的計(jì)算公式如下[7]:
式中 f是工作頻率;VIN(MIN)是最小輸入電壓;VIN(MAX)最大輸入電壓;VOUT是設(shè)定的輸出電壓;IOUT(MAX)是設(shè)定的最大輸出負(fù)載電流;%Ripple是允許的電感器紋波電流百分比,一般取30%。經(jīng)過(guò)計(jì)算,選擇電感值為6.8 μH。
4)輸入輸出電容的選擇
在開(kāi)關(guān)電源里,電容主要用來(lái)吸收紋波,平滑電壓波形[11]。由于制造材料有限制,電容有一個(gè)等效串聯(lián)電阻(ESR),由于電阻自身會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓降,電容器兩端的電壓會(huì)發(fā)生變化,就高性能應(yīng)用而言,ESR和總電容對(duì)于最大限度地抑制輸出紋波電壓和優(yōu)化負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)都是十分重要的,所以需選擇低ESR的電容[12]。為保證輸出電壓紋波小,可以采取幾個(gè)電容并聯(lián)的方式,以降低整體的電容的ESR值。本設(shè)計(jì)中輸入和輸出電容的值分別為3.3 μF,2.2 μF。
5)MOSFET管的選擇
LTC3789需要4個(gè)外部N溝道的MOSFET管,2個(gè)作為頂部開(kāi)關(guān),另2個(gè)作為底部開(kāi)關(guān)。MOSFET管在開(kāi)關(guān)電源中是作為電子開(kāi)關(guān)使用的,它的導(dǎo)通和關(guān)斷是需要時(shí)間的,即存在開(kāi)關(guān)損耗,開(kāi)關(guān)頻率越高,MOSFET管的開(kāi)關(guān)損耗越大[13]。為了保證轉(zhuǎn)換效率,應(yīng)盡可能減小的開(kāi)關(guān)損耗,需選擇導(dǎo)通電阻小的MOSFET管[14]。本設(shè)計(jì)中選擇的MOSFET型號(hào)為Si7884DP。
1)Boost型工作模式
當(dāng)VIN<12 V時(shí),進(jìn)入升壓模式,開(kāi)關(guān)Q1始終保持接通,而開(kāi)關(guān)Q2始終保持關(guān)斷。在每個(gè)周期中開(kāi)關(guān)Q3首先接通,輸入電壓通過(guò)開(kāi)關(guān)Q3對(duì)電感進(jìn)行充電,并對(duì)電感電流進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)電感電流IL高于閾值時(shí),開(kāi)關(guān)Q3斷開(kāi),開(kāi)關(guān)Q4打開(kāi),電感放電實(shí)現(xiàn)升壓。開(kāi)關(guān)Q3和Q4就這樣交替通斷實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的升壓輸出。圖2(a)所示的是輸入電壓為8 V時(shí)的各個(gè)MOSFET管的電壓波形圖。
2)Buck型工作模式
當(dāng)VIN>12 V時(shí),進(jìn)入降壓模式,開(kāi)關(guān)Q4始終保持接通,而開(kāi)關(guān)Q3始終保持關(guān)斷。在每個(gè)周期中開(kāi)關(guān)Q2首先接通,對(duì)電感L進(jìn)行持續(xù)泄流放電,實(shí)現(xiàn)降壓;同時(shí)對(duì)電感電流進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)電感電流IL低于閾值時(shí),開(kāi)關(guān)Q2斷開(kāi),開(kāi)關(guān)Q1打開(kāi),對(duì)電感進(jìn)行充電。開(kāi)關(guān)Q1和Q2交替通斷實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的降壓輸出。圖2(b)所示的是輸入電壓為24 V時(shí)的各個(gè)MOSFET管的電壓波形圖。
3)Buck-Boost型工作模式
當(dāng) VIN接近12 V時(shí),進(jìn)入升壓/降壓模式,開(kāi)關(guān)Q1、Q2與開(kāi)關(guān)Q3、Q4兩組開(kāi)關(guān)交替接通,電路通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間(周期不變)來(lái)達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的[15]。圖2(c)所示的是輸入電壓為11 V時(shí)的各個(gè)MOSFET管的電壓波形圖。
在該實(shí)驗(yàn)中,使用相同負(fù)載不同輸入電壓。采用的負(fù)載為10 Ω,輸出電流為1.2 A,輸入電壓分別是+5 V,+10 V,+15 V,+20 V,+25 V,+30 V,+36 V。具體數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 相同負(fù)載不同輸入電壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在輸出電壓穩(wěn)定后,能帶多大的負(fù)載才是最終目的。在該實(shí)驗(yàn)中,使用相同輸入電壓不同負(fù)載,輸入電壓設(shè)置為+24 V,負(fù)載分別為5 Ω,10 Ω,15 Ω,20 Ω,25 Ω,30 Ω,50 Ω,80 Ω,100 Ω,200 Ω,具體數(shù)據(jù)如表2所示。
表2 相同輸入電壓不同負(fù)載實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在電源轉(zhuǎn)換效率實(shí)驗(yàn)中,對(duì)于+5~+36 V的輸入電壓,在正常帶載的情況下,控制器都能實(shí)現(xiàn)90%以上的轉(zhuǎn)換效率;在帶載能力實(shí)驗(yàn)中,隨著輸出電流的增大,電源轉(zhuǎn)換效率呈遞增趨勢(shì)[16],超出一定負(fù)載能力之后,轉(zhuǎn)換效率變小。
電源是電路中最重要的部分,本文針對(duì)未來(lái)通信電源模塊的發(fā)展趨勢(shì),提出并設(shè)計(jì)了一種基于LTC3789的四開(kāi)關(guān)Buck-Boost開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路,選擇了合適的外圍元器件參數(shù)后,對(duì)電源電路的轉(zhuǎn)換效率和帶負(fù)載能力進(jìn)行了仿真分析,得出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);驗(yàn)證了該電路在+5~+36 V輸入電壓范圍內(nèi)能穩(wěn)定輸出12 V,并具有轉(zhuǎn)換效率高和帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn),達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
圖2 不同輸入電壓下的各個(gè)MOSFET管的電壓波形圖
[1]侯清江,張黎強(qiáng),許棟剛.開(kāi)關(guān)電源的基本原理及發(fā)展趨勢(shì)探析[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2010,32(9):160-169.
[2]牟翔水,張曉春,林剛,等.基于SG3535的大電流低電壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表,2013,50(4):120-124.
[3]王賢哲.基于DSP的數(shù)字開(kāi)關(guān)電源研究與實(shí)現(xiàn)[D].大連:大連理工大學(xué),2013.
[4]司明.一種開(kāi)關(guān)電源PWM控制電路設(shè)計(jì)[D].沈陽(yáng):遼寧大學(xué),2013.
[5]田亞芳,賈利峰,高金輝,等.開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì)[J].變流技術(shù)與電力牽引,2012,30(8):1062-1065.
[6]張鳳運(yùn),段書(shū)凱,王麗丹,等.單相AC-DC變換電路設(shè)計(jì)[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,37(1):155-162.
[7]LINEAR TECHNOLOGY.LTC3789,Datasheet[EB/OL].(2010-12-16)[2016-06-16].http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/3789fc.pdf.
[8]賴(lài)聯(lián)有,陳僅星,許偉堅(jiān).基于LTspice IV的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)及仿真[J].通信電源技術(shù),2010,27(1):28-29.
[9]王凱,韓力立.基于LT8705的機(jī)載設(shè)備抗浪涌電源[J].電子世界,2014(7):109-110.
[10]王斌,邰永紅,楊鄭浩.低壓大電流高效率同步整流變換器的分析與設(shè)計(jì)[J].航空電子技術(shù),2013,44(2):42-47.
[11]方宇杰,蘇秉華,杭凌俠.開(kāi)關(guān)電源紋波抑制研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2012,35(10):136-138.
[12]周鵬飛,鐘再敏.基于LM5175的Buck-Boost車(chē)用開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)[J].電子科技,2016,29(2):129-133.
[13]徐志國(guó),楊娟.一種基于LM3150 Buck型開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2016,22(12):104-107.
[14]沈超,付麗璋,吳世通,等.電源轉(zhuǎn)換模塊LTC3780的工作性能仿真分析[J].航天返回與遙感,2010,31(6):58-65.
[15]龐旗峰,賀雨璇,黃治清.基于DSP的同步整流Buck-Boost變換器控制策略的研究[J].電源技術(shù),2011,35(8):957-960.
[16]張國(guó)飛,崔志勝,徐廣鑫,等.基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的APF諧波補(bǔ)償能力的仿真研究[J].陜西電力,2012(11):77-81.
The design of intelligent terminal Buck-Boost type switching power supply based on LTC3789
XU Jing1,2,CAO Chang-sheng1,2
(1.WuHan Research Institution of Posts and Telecommunications ,WuHan 430072,China;2.Wuhan YCIG iLink Technology Co.,Ltd,WuHan 430072,China)
A four switch Buck-Boost power supply based on Linear Technology Corporation's controller LTC3789 is used in a kind of intelligent vehicle monitoring terminal for the bus.In order to select suitable inductor,input and output capacitors and MOSFETs and design relevant power converter,the switching frequency,input and output voltage range,current range must be determined according to vehicle-mounted conditions.The simulation of transfer efficiency and load capacity of power supply by LTspice IV shows that this switch power can export expected voltage stably and own large load capacity.
LTC3789; Buck-Boost; switch mode power supply; LTspice IV
TN919.82
A
1674-6236(2017)16-0154-04
2016-06-30稿件編號(hào):201606238
徐 晶(1992—),女,湖北松滋人,碩士研究生。研究方向:視頻監(jiān)控。