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新型非隔離、降壓式、低電壓、大電流、超低壓差電荷泵DC/DC變換器在結(jié)構(gòu)上沒有泵電容，其主要特點(diǎn)有：輸出電流大，可達(dá)800mA；輸出電壓精度高(見表1及表2)；超低壓差，特別適用于便攜式產(chǎn)品；有輸出電壓連續(xù)可調(diào)及固定輸出電壓兩種類型；有輸出短路保護(hù)及輸入電壓過壓保護(hù)；模塊做成三端器件，僅需外接輸入電容器及輸出電容器，使用十分方便；無電感器；電路簡(jiǎn)單，全部采用貼片式元器件，模塊尺寸可做得較��；生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單�，F(xiàn)將其特點(diǎn)、基本工作原理、關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)、部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、應(yīng)用范圍及典型應(yīng)用電路做一簡(jiǎn)介。 基本工作原理 模塊的結(jié)構(gòu)框圖及外圍元件如圖1所示。其工作原理是，上電后的瞬間輸出電壓為0V(低電平)，此電壓經(jīng)分壓器(R1、R2)、誤差放大器，輸入邏輯控制電路。邏輯控制電路輸出低電平，使開關(guān)管導(dǎo)通。則輸入電壓VIN經(jīng)開關(guān)管向輸出電容器COUT充電，并向負(fù)載供電，輸出電壓VOUT上升。當(dāng)COUT上的電壓上升到內(nèi)部設(shè)定的電壓時(shí)，此電壓經(jīng)R1、R2分壓器，將反饋電壓信號(hào)輸入誤差放大器，誤差放大器輸出高電平，邏輯控制電路受此高電平控制，輸出高電平，開關(guān)管截止。輸出電容器COUT向負(fù)載放電，VOUT下降，當(dāng)COUT上的電壓略低于設(shè)定的電壓時(shí)，通過分壓器的反饋，使開關(guān)管又導(dǎo)通，COUT又充電而提高電壓，這樣輸出電壓可保持一定的穩(wěn)壓精度。 當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，邏輯控制電路的輸出脈沖頻率增加以保證輸出電壓的穩(wěn)定；當(dāng)負(fù)載電流減小時(shí)，則輸出脈沖頻率減小。這種通過頻率變化達(dá)到穩(wěn)壓方式屬于脈沖頻率調(diào)制(PFM)模式。 模塊內(nèi)部有輸出短路保護(hù)電路及輸入電壓過壓保護(hù)電路。在輸出短路或輸入電壓過壓時(shí)，開關(guān)管截止，輸出電壓為0V，并鎖存。另外，電路處于保護(hù)狀態(tài)時(shí)，LED亮(可用做指示)。若R1采用電位器，則VOUT輸出可調(diào)。 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù) 輸入電壓VIN為3～5.5V，建議輸入電壓VIN=VOUT+1.0V；固定輸出電壓有四種：2.5V、3.0V、3.3V、3.6V(也可產(chǎn)生用戶所需的其他電壓)；可調(diào)輸出電壓為2.4～4.5V；在VIN=VOUT+1.0V條件下，輸出電流可達(dá)800mA；輸出電壓精度高，初始精度典型值為±1.5%，滿負(fù)載輸出時(shí)輸出電壓精度典型值為2.5%；超低壓差，輸出電流500mA時(shí)，典型壓差值為100mA；靜態(tài)電流典型值為1.2mA；轉(zhuǎn)換效率與壓差大小有關(guān)，壓差1V時(shí)的轉(zhuǎn)換效率約為75%；輸出紋波電壓與壓差、輸出電流、COUT容量及等效串聯(lián)電阻(ESR)大小有關(guān)。采用低ESR、大容量的COUT，IOUT為500mA時(shí)，其典型值為15mA；VIN大于VOUT+(2.5～3.5V)時(shí)，輸入電壓過壓，開關(guān)管被關(guān)斷，VOUT=0V，并鎖存(VIN降低后需重新啟動(dòng)電源)；輸出短路時(shí)，VOUT=0V，并鎖存；開關(guān)管最大功耗PD為1.6W。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 在有輸出電流IOUT變化時(shí)，看輸出電壓VOUT的變化及一定輸出電流時(shí)測(cè)其壓差值。實(shí)驗(yàn)電路如圖2所示。 實(shí)驗(yàn)一：IOUT與VOUT的關(guān)系 實(shí)驗(yàn)條件：VIN=VOUT+1.0V；CIN=10μF/16V(MLCC)+220μF/10V(Al)；COUT=10μF/16V(MLCC)+2×1000μF/10V(Al)，1000μF/10V電容為低ESR電容器；Ta=25℃。 固定輸出的模塊(4#及6#)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，可調(diào)輸出模塊(5#和3#)僅做IOUT=500mA，在2.5V、3.0V、3.3V、3.6V、4.0V幾個(gè)電壓時(shí)實(shí)際輸出電壓值列于表2。 從表1及表2中可看出，該實(shí)驗(yàn)?zāi)K有較好的負(fù)載調(diào)整率，即有較高的輸出電壓精度。 實(shí)驗(yàn)二：低壓差試驗(yàn) 低壓差實(shí)驗(yàn)的做法是，在VIN=VOUT+1.0V的起始條件下，調(diào)整RL，使IOUT=500mA，記下此時(shí)VOUT的實(shí)際值。然后逐漸減小VIN值，一直減小到VOUT實(shí)際值減小了0.1V時(shí)為止。此時(shí)的VIN減小值與VOUT實(shí)際值減-0.1V的差值為壓差值。實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)一相同。 用額定輸出電壓為3.0V的6#實(shí)驗(yàn)?zāi)K作試驗(yàn)。VIN=4.0V，在IOUT=500mA時(shí)，VOUT實(shí)際值為2.98V。VIN從4.0V開始減小，當(dāng)VIN降到2.97V時(shí)，VOUT實(shí)際值由2.98V降到2.88V，降了0.1V。此時(shí)可計(jì)算出壓差值為2.97V-2.88V=0.09V。即在500mA的輸出電流時(shí)，VIN降到2.97V時(shí)，輸出電壓還有2.88V。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明6#模塊的壓差是極低的。 應(yīng)用范圍 該DC/DC模塊由于輸出電壓范圍寬，并且有輸出連續(xù)可調(diào)，輸出電流大，壓差小，并有較好的輸出電壓精度，因此應(yīng)用范圍較廣。它可以單獨(dú)組成低電壓穩(wěn)壓電源或用作輔助電源(如主電源為5V/1A，輔助電源為3V或3.3V、300～400mA)；可組成輸出穩(wěn)壓的適配器(插頭式電源)；可調(diào)輸出的電源特別適用于低電壓小型電子產(chǎn)品的維修、電路的開發(fā)或?qū)嶒?yàn)、愛好者的電子制作；固定輸出的穩(wěn)壓適配器適用于電池供電的便攜式電子產(chǎn)品作外接電源；也可直接在便攜式儀器、儀表、消費(fèi)類電子產(chǎn)品中用作電源。 應(yīng)用舉例 ● 用做輔助電源 圖3中的主電源由7805穩(wěn)壓器供電，輔助電源由實(shí)驗(yàn)?zāi)KSS-1供電(輸出3.3V/400mA)。為使VIN≈VOUT+1.0V，SS-1模塊的輸入電路中串接了一個(gè)二極管1N4001，使VIN=4.3V。 當(dāng)SS-1與主電源非常接近，SS-1的輸入電容器CIN可省去，若C2與SS-1輸入端較遠(yuǎn)時(shí)，需接一個(gè)22～47μF/10V的鋁電解電容器。輸出電容器由1000μF/10V低ESR鋁電解電容器及4.7～10μF/16V MLCC(多層陶瓷電容器)并聯(lián)，其目的是減小輸出紋波電壓。 ● 輸出連續(xù)可調(diào)的電源 圖4是一種輸出連續(xù)可調(diào)(2.4～4.5V)，輸出800mA的穩(wěn)壓電源。CIN可取47～220μF鋁電解電容器，COUT可取10μF/16V(MLCC)與2×1000μF//10V低ESR鋁電解電容器并聯(lián)，輸出紋波電壓較小。 這里采用了一個(gè)單刀三擲開關(guān)S1及幾個(gè)整流二極管1N4001，其目的是減小功耗、減小輸出紋波電壓及保證輸出800mA電流。開關(guān)管的功耗大小與VIN有關(guān)，如圖5所示。 在圖5中，輸入電壓VIN、輸出電壓VOUT、輸出電流IOUT，則開關(guān)管在導(dǎo)通時(shí)，其管壓降為VIN-VOUT，其管耗PD為(VIN-VOUT)×IOUT。當(dāng)VIN-VOUT大時(shí)，其PD可能超過開關(guān)管最大耗散功率而損壞開關(guān)管，即使不損壞開關(guān)管，也會(huì)使轉(zhuǎn)換效率降低，紋波電壓增加。所以建議VIN=VOUT+1.0V較為合適。 S1開關(guān)的位置與輸入及輸出電壓的關(guān)系如表3所示。 ● 用電池供電的電源 圖6為三節(jié)鎳鎘或鎳氫電池供電，輸出3.0V/300mA的穩(wěn)壓電源。該電源最大特點(diǎn)是，當(dāng)電池的電壓由額定電壓3.6V降到3.0V時(shí)，輸出電壓仍可達(dá)2.90V左右。這不僅充分地利用了電池的能量(電池到3.0V時(shí)為終止放電電壓)，并且延長了電池兩次充電之間的時(shí)間。另外，由于VIN-VOUT的壓差小，其轉(zhuǎn)換效率大于84%。 在壓差很小時(shí)，開關(guān)管的占空比提高、其紋波電壓相應(yīng)減�。划�(dāng)壓差極小時(shí)，開關(guān)管的占空比為1，開關(guān)管不再斷開，其輸出紋波電壓為0mV，這也是該電路的特點(diǎn)之一。 |
