對于一些需要12V電源的USB模擬設備,電路形式的選擇余地不大,以往幾乎全部采用升壓型開關穩壓器,效率常在85%以上;倘若必須解決這類電路無法實現輸出短路保護功能的難題,則可考慮下述之SEPIC(單端初級電感變換器)電路,但是成本將會因此明顯上升。當然,在這兩類電路中,同樣有著上述之外接或在片功率開關以及異步或同步整流的區別。
如果USB外設需要5V電源,事情就稍為有些棘手,因為USB口的外供電壓可能略高于也可能略低于這一數值。為此,以往常用先升壓再降壓或先降壓再升壓的辦法。這在需要多種輸出電壓的場合,倒也不失為一條可行途徑;但若僅需單一的5V輸出,此類電路結構便難免“疊床架屋”之嫌。或許正是這一緣故,上述之SEPIC盡管電路復雜,成本也高,但因其能集升壓、降壓功能于一身,所以近來已呈應用漸廣之勢。
SEPIC實用電路,其輸入、輸出電壓均為5V,開關頻率約300kHz,電源變換效率接近90%。它允許輸出電壓大于、小于或者等于輸入電壓的DCDC變換器。輸出電壓由主控開關(三極管或MOS管)的占空比控制。
這種電路最大的好處是輸入輸出同極性。尤其適合于電池供電的應用場合,允許電池電壓高于或者小于所需要的輸入電壓。比如一塊鋰電池的電壓為3V ~ 4.2V,如果負載需要3.3V,那么SEPIC電路可以實現這種轉換。其中,開關頻率可由其“定時電阻(RT)”引腳的外接電阻調整,輸出電壓則取決于“反饋(FB)”端的電壓采樣分壓器,外接N溝道與P溝道MOSFET分別用作功率開關與同步整流。特別值得注意的是,圖中的儲能電感分成對稱的兩半,輸入端的能量經由跨接于兩個電感之間的電容器向輸出端轉移,這是SEPIC電路的主要特征。
不少便攜式USB設備脫離主機后改由內部電池組通過直流變換器繼續供電,故而需要配備一個小型UPS電源,集成器件采用同步整流PWM升壓型電路結構;可以單節鎳鎘/鎳氫電池供電,最低輸入電壓0.7V,輸出電壓可調范圍為2.5~5.5V,最大輸出電流1.5A,電源變換效率可達95%。MAX1703開關電源“POUT”端的輸出電壓設定為3.4V,而由P溝道場效應管Q1與片內備用放大器構成的線性穩壓器輸出電壓為3.3V,故而USB外設由電池組供電時Q1的功率損耗幾乎可以忽略。外部設備與USB口接通時,二極管D1為正向偏置而使開關電源處于“空閑”狀態;也就是只要Q1的源極電壓高于3.4V,外部設備便始終由USB口供電。與此同時,USB口還通過PNP晶體管Q2等組成的恒流源向電池組充電,調整電阻R1的阻值可以設定充電電流,使之符合十小時充電制的要求。一旦外部設備脫離USB口,開關電源便會立即退出“空閑”狀態而由內部電池組繼續供電。
綜上所述,尚能充分顧及USB技術規范的制約,掌握各類電路結構的特性,熟悉一些典型器件的用法,那么,就可設計出合理的USB外設電源。
審核編輯黃宇
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