简单实用的微功率多通道隔离开关电源的设计

马建程

(艾赛通讯技术(杭州)有限公司，浙江杭州310004)

0 引言

在数据采集电子设备领域，为了防止信号的串扰、外壳地线搭接等，需要对不同的输入输出模块进行隔离，从而线路中增加了大量的隔离开关电源的应用。虽然隔离开关电源的应用和设计已经相当成熟，相关新老器件、设计案例也非常丰富。但要设计一款成本低、体积小，充分结合电路实用性、可靠性需要的开关电源，一直是设计师努力的方向。

笔者在某数据采集服务器的设计中，为了抑制电磁干扰、消除接地环路干扰等，需要对其中的1块8路开关量采集电路、6块RS232异步串口接口电路、以及1块4路的模拟量采集电路，分别设计隔离电源。从设计简便考虑，可以选用微功率的DC/DC隔离模块;若要求集成度高，则可以选用ADI公司带光隔离的IC，但二种模式成本均相对较高。最终我们利用通用器件基于传统的PWM模式完成了8路隔离电源设计。

1 电源部分的设计要求

系统采用一个独立的5 V电源供电，通过电源转换电路，提供给主系1路3.3 V的非隔离电源，同时提供8路隔离的5 V电源给采集电路供电，如图1所示。

图1 电源电路框图

其中3.3 V输出需要提供3 000 mA的驱动电流。其余隔离5 V输出，每路提供100 mA的驱动电流。

2 具体设计过程

2.1 器件的选择

元器件的选取对电子设备的可靠性能、生产采购便利性，以及成本控制都非常重要。本次隔离电源的设计，关键器件均选用了当前最为通用的器件。电源控制器选用 TL494，兼容的器件有KA7500、UTC494、CW494、MB3759、IR3704、IR9494 等。隔离变压器选用E1高 频 变 压 器 PE68841NL，兼 容 PT22-1121，HR601601、PE65861、TRB85861 等。

所用主要器件都是通用件，这些器件的介绍在许多论文和杂志上都有详细介绍，这里只作简要描述。

TL494是TI公司生产的典型的脉宽调制控制(PWM)电源芯片，属电压型脉宽调制。它包含了开关电源控制所需的全部功能:集成了全部的脉宽调制电路、线性锯齿波振荡器、误差放大器、5 V精密基准电压源、死区时间调整、2个200 mA驱动能力的功率晶体管等［1］，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式。芯片内部提供了一对对称输出级晶体管，可以有效防止磁偏，避免磁饱和的发生。选用TL494I满足在-40℃ ～85℃的工作环境。

高频变压器PE68841NL是Pulse公司生产的表面贴装CEPT双向高频信号变压器［2］，1 500 V隔离电压，工作温度范围满足-40℃ ～85℃。具有2组变比为1:2的带中间抽头的绕组，见图2。变压器采用铁氧体环形磁芯，磁路连续无间隙，易获得最大的电感量，且漏磁极少。

图2 PE68841NL变压器

SP7656是EXAR公司的一款大电流微型、PWM控制模式的异步DC-DC降压型稳压器。SP7656采用散热增强型SO-8封装，提供4.5 V～29 V的宽范围输入电压，非常适用于5 V、12 V及24 V输入的应用场合。其输入控制电路可以有效地抑制瞬态干扰，使输出更稳定。同类型的芯片还有MC33063、MC34063等。

2.2 电路设计

利用SP7656单芯片可构成非隔离稳压电源，设计输出3.3 V、0～3 A稳压源，同时配合相应二极管、电容电路升压，提供1路TL494的供电电源8.5 V。

所设计电路见图3。

图3 SP7656产生3.3 V和8.5 V电路图

利用TL494和PE68841，实现8路隔离的5 V电源输出。设计电路见图4。每个变压器提供2个1∶2的绕组，本次设计需要4个PE68841提供8组变压器，可以实现8路5 V输出的隔离电源。图4中VSS约8.5 V，满足TL494的电源电压要求(TL494电源电压范围7.0 V～40 V)。TL494的内置输出级晶体管可以提供最大200 mA的驱动电流，满足8组变压器的励磁驱动。

图4 8通道5 V隔离电源电路图

2.3 元件设计与参数计算

SP7656的电路设计提供2路电源输出。其中，Uo1为3.3 V输出，需要提供2 A的工作电流。Uo2输出8.5 V，最大10 mA。

输出电压为

式中，Uref为控制器内部参考电压(0.6 V)。因此，在设计时选取 R3=200 kΩ，R2=44.2 kΩ，要特别注意电阻的精度。输出电压为Uout=0.6 V×(1+200/44.2)≈3.31 V。

电路中的二极管DZ3为肖特基二极管。它是一种低功耗、大电流、超高速半导体器件。在选型时应注意电压范围VR和工作电流，在此电路中选择SK34A，其工作电流可以达到3 A。

电感的饱和电流值最小应选择2 A，如CDRH6D28、LF6028T-6R8M1R5-PF 和 POWERCHOKE WE-HCJI等型号可以满足要求。电感值满足下面的公式:

式中，f是开关频率(300 kHz);Irip是控制器输出电感的峰峰值纹波电流［5］(一般设为输出电流的30%，这里取2 A ×0.3=0.6A);

计算得到电感 L1=(5-3.3)(5/3.3)(1/300000)(1/0.6)=6.2 μH。

SP7656电路的输出滤波电容C6的计算:

式中，L是输出电感;I2是后级负载高电流;I1是后级负载低电流;Uos是输出电压的暂态值，包括峰值电压;Uout是输出电压的稳态值。这里设计C6为47 μF/16V电解电容。

D1、D2选取 IN4148，C9、C8为10 μF/16 V独石电容。

TL494的内置线性锯齿波振荡器的震荡频率可以通过 R5和 C10进行调节。R5取值范围1.8 kΩ ～500 kΩ，这里设计为6.2 kΩ。C10取值范围4.7 pF ～10 μF，本设计取0.001 μF。震荡频率近似计算公式:foso=1.1/(R5C10)，代入可得177 kHz。

本次设计TL494推挽模式工作，需要将管13输出控制端连接5 V基准电压，这样输出晶体管在触发器的调制脉冲控制下轮流导通和截止。晶体管的输出方波频率为锯齿波震荡频率的一半，即88.5 kHz。

管脚4为死区时间控制端，设计为通过电阻接地，正常工作中为低电平，由于内部叠加120 mV的偏置电压，此时占空比为45%。

C20和R8构成了软启动电路，用于系统上电过程中，当晶体管输出截止，随着电容C20的逐渐充电，管脚4的电压降低，输出晶体管开通。正常工作中，R8的两端电压近似为零。设计中为了简略也可以将R8取消，管脚4直接接地。

考虑电路的高效率和稳定性，本设计屏蔽了两个误差放大器的功能。按手册要求，误差放大器输入端正极均接地(图4中1脚和16脚接地)，误差放大器输入端负极接高电位(2脚和15脚是通过R7接入到14脚的5 V基准端)。

管脚3为反馈PWM比较器管脚3，根据其电压从0.5 V上升到3.5 V时，输出脉冲的宽度由死区时间输入端确定的最大百分比下降到零。TL494的3脚通过电阻R6接入到5 V电压基准输出端，提供3脚反馈控制电压。

3 测试与验证

Sp7656的D2二极管输入脚信号波形如图5所示。Uo1和Uo2的输出波形如图6所示。TL494的管脚5脉冲控制波形如图7所示。TL494的管脚C1-8，C2-9，即变压器初级线圈的输入波形如图8所示。

变压器次级线圈的输出波形(T1-A1和A2脚)如图9所示。

整流滤波后输出V5P1波形，如图10所示。

经过测试其余7路电源输出与V5P1类似，电压均符合要求。

图5 D2二极管输入脚信号波形

图6 Uo1和Uo2的输出波形

图7 TL494的管脚5脉冲控制波形

图8 变压器初级线圈的输入波形

图9 变压器次级线圈的输出波形

图10 整流滤波后输出V5P1波形

4 结束语

对于功率较低、输出通道较多的隔离电源设计，采用通用器件TL494和PE68841，可以取得较高的转换效率，也有效地控制了成本。本设计目前已经在多串口采集服务器上获得应用，经过长时间的现场应用考验，性能优良，完全达到了使用要求，对于数据采集设备隔离电源的设计有借鉴意义。

［1］tl494［EB/OL］.http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl494.pdf.

［2］T1/Cept/ISDN-PRI Transformers［EB/OL］.http://productfinder.pulseeng.com/products/datasheets/T608.pdf.

［3］陈纯锴.开关电源原理、设计及实例［M］.北京:中国电子工业出版社，2012.

［4］李定宣，丁增敏.开关稳定电源设计和应用(第2版)［M］.北京:中国电力出版社，2011.

［5］3A，29V Non-Synchronous Buck Converter［EB/OL］.http://www.exar.com/common/content/document.ashx id=1181＆languageid=1033.