在相同电压降的条件下, 开关电源调节器件与线性稳压器件相比具有少得多的“热损失” , 这样, 开关稳压电源就可以大大减少散热片体积和 PCB 板的面积, 在大多数情况下甚至不需要加装散热片。 此外,由于开关稳压电源“热损失” 的减少, 设计时还可以提高稳压电源的输入电压, 使其可以在较大的输入电压范围内正常工作, 这有助于提高抗输入电压跌落干扰的能力和可以适应更多的输入电源种类。 较高的输出电压纹波(一般大于 30mV) 是开关稳压电源不可回避的问题, 在一些对电源纹波电压有特殊要求的场合(如 MCU 内部PLL、 Tuner 内的高精度 A/D 转换器等), 常采用线性稳压电源来降低稳压电源输出的纹波电压。 因此, 采用开关稳压电源与线性稳压电源相结合的形式为有特殊要求的器件供电提供了一种更好的方法。 线性稳压芯片是一种最简单的电源转换芯片, 基本上不需要外围元件。 传统的线性稳压器, 如 78xx 系列都要求输入电压要比输出电压高 2V-3V以上, 否则不能正常工作, 5V 到 3. 3V 的电压差只有 1. 7V, 所以 78xx系列已经不能满足 3. 3V 或 2. 5V 的电源设计要求。 面对这类需求,许多电源芯片公司推出了 Low Dropout Regulator, 即: 低压差线形稳压器, 简称 LDO。 这种电源芯片的压差只有 1. 3-0. 2 伏, 可以实现5V 转 3. 3V/2. 5V, 3. 3V 转 2. 5V/1. 8V 等要求。 同时, 较低的稳压压降, 可维持较低的 LDO 自身功耗。 设计构思与工作原理 在对线性稳压集成电路与开关稳压集成电路的应用特性进行比较的基础上, 我们的选择设计了 DC/DC 开关稳压和 LDO 的组合电源。它是由 AC/DC 电源适配器或直流电池组提供一个直流输入电压, 经DC/DC 及 LDO 变换以后在输出端获得接收机所需的几组直流电压。 我们只要将卫视接收机内的开关电源板替换成这种组合电源, 就可以在移动环境下实现接收卫视信号的目的。 由前述的接收机几组电源参数可知, 卫视接收机主要的功率消耗在 3. 3V 和 5V 两组电源上。 笔者设计了这款 12V 电压输入的卫视接收机电源板, 其电原理图见图一。 电源板基本技术参数: 输入电压 : DC 9V~19V(推荐电压: DC12V) 输出电压: 1. 8V(或 2. 8V 可选) /Max1000mA 一路 3. 3V/ Max 3200mA 二路 5. 0V/ Max 2500mA 二路 12V/ Max 500mA 一路 21V/ Max 500mA 一路 33V/ Max 20mA 一路 在这款电源设计中使用了两类稳压电源器件: LDO (低压差稳压器) 和 DC/DC 开关式降压器(升压器) 。 DC/DC 开关式降(升) 压器: 转换效率最高可达 95%, 属于开关电源的一类。 对于 LDO, 由于其为线性降压元件, 故供电效率完全取决于其输入/输出电压差和输出电流的大小。 LM2596 开关电压调节器是电源管理单片集成电路, 能够输出 3A的驱动电流, 同时具有很好的线性和负载调节特性。 固定输出版本有3. 3V、 5V、 12V, 可调版本可以输出小于 40V 的各种电压。 该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器, 开关频率为 150KHz, 与低频开 关调节器相比较, 可以使用更小规格的滤波元件。 由于该器件只需 4个外接元件, 可以使用通用的标准电感, 这更优化了 LM2596 的使用,极大地简化了开关电源电路的设计, 我们选用固定型 LM2596-5。 LM2585 开关电压调节器是升压单片集成电路, 能够输出 3A 的驱动电流, 同时具有很好的线性和负载调节特性, 开关频率 100 KHz。有 4 种不同的输出电压版本: 固定 3. 3V/ 5. 0V/12V 和可调整型。 我们选用可调整型 LM2585-ADJ。 LT1117 是三端的 LDO 器件, 能够输出 0. 8A 的驱动电流, 有 4 种不同的输出电压版本: 固定 3. 3V/ 2. 5V/1. 8V 和可调整型。 我们选用固定型 LT1117-3. 3 及 LT1117-2. 5(1. 8) 。 12V 直流电压输入的卫视接收机用的电源板工作原理: 12V电源电压送入由 U1(LM2596-5) 构成的 DC-DC 开关式降压器输出+5V; 同时 LM2596 的开关脉冲进入由 D1、 D2 和 D14 三个双二极管构成的倍压整流电路升至约 40V 直流电压经齐纳稳压管 D4 稳压输出+33V 供 Tuner 调谐变容二极器作调谐电压; 另一路 12V 进入由U2(LM2585-Adj) 构成的 DC-DC升压开关稳压器输出+21V供接收机 LNB 13/18V极化切换; +3. 3V由 U1(LM2596-5) 输出的+5V经U3(LT1117-3. 3) LDO 降压取得。 在有些卫视接收机中还需+2. 5V(或+1. 8V) 供 CPU, 在设计中增加了另一路 LDO 降压, 装上 U4(LT-1117-2. 5/LT1117-1. 8)可输出+2. 5V(或 1. 8V) , 对于不需要+2. 5V(或 1. 8V) 的接收机, 可不装 U4 LDO 及其滤波感容元件。 关键的元器件选择: 电路中的输入电容 C7、 C21 一般应大于或等于 100μ F, 安装时要求尽量靠近 LM2596 或 LM2585 的输入引脚, 其耐压值应与最大输入电压值相匹配。 LM2596 输出端电容 C12 的值取 470uF; LM2585 输出端电容 C24 一般应大于或等于 220uF; 输出电容 C12、 C24 的耐压值应大于额定输出电压的 1. 5~2 倍。 对于 5V 电压输出而言, 推荐使用耐压值大于 16V 的电容器。 同时输出电容的 ESR 会影响到调整器控制回路的稳定性, 所以电容的 ESR 是影响输出波纹的一个因素, 绝大多数小电容有较高的 ESR, 导致高的开关波纹, 最好选用 OS-CON 高频电容。 L3 的取值为: 47uH, L6 的取值为: 82uH。 储能电感是影响 DC-DC转换器性能的关键器件, 主要考虑的参数有电感量、 饱和电流和直流电阻以及铁氧体材料磁芯的开关工作频率, 在体积和成本允许的情况下应选用饱和电流比较大的电感, 因为当磁芯接近饱和时损耗增大,会降低转换效率。 电感的饱和电流至少应大于负载的峰值电流, 电感的直流电阻会消耗一定的功率, 在体积和成本许可的情况下应尽量选用直流电阻小的电感。 另外, 为降低电源的 EMI, 最好选用具有闭合磁芯的电感。 二极管 VD3 的额定电流值应大于最大负载电流的 1. 2 倍, 考虑到负载短路的情况, 二极管的额定电流值应大于 LM2596 的最大电流限制, 二极管的反向电压应大于最大输入电压的 1. 25 倍, 推荐使用1N582x 系列的肖特基二极管。 二极管 D5 的额定电流值也应大于最大负载电流的 1. 2 倍, 反向电压应大于最大输入电压的 4 倍。 U2 的采样电阻 R3、 R4 和 R5 应使用 1%精度的电阻, 它们的值与输出电压有以下关系: VOUT = VREF〔 1 +(R4+R5) /R3〕 其中 VOUT 是输出电压、 VREF 是参考电压(VREF =1. 23V) 图二为该电源板的双面 PCB 板, 图三为安装好的成品电源板, 图四为配套的 220V/12V 电源适配器。 这款电源板采用了双面印刷电路设计, 其 PCB 板尺寸仅为:9. 6cm×7. 4cm, 小容量阻容元件选用贴片元件, 电解电容一律使用耐高温为 105° C 的, 功率电感采用闭合磁芯的电感, 防反插大功率专用电源插座。 整个电源板装好后一般不需调试, 检测输出电压正常后即可上机使用。 应用实例及性能测试 了解了这块电源板的设计特点和原理后, 我们再来看看它的各种性能和测试结果。 A: 海克威 2000H 接收机应用实例及性能测试 海克威 2000H接收机后面板的标贴处实际是一个为安装 12V控制的方形冲孔, 用环氧敷铜板在此处打孔并固定, 把电源板 12V 输入插座焊下对孔固定。 图五是直流 12V 输入插座安装实体图(左为揭开标签后的后面板, 中为插头安装后示意图, 右为插座固定示意图),“SKEW” 孔正好安装一只 3. 5 直插插座, 将两插座并联, 可以方便的使用其他类型插头电源的输入。 图六为电源板安装在海克威 2000H 接收机中的实体图。 安装完毕, 检查连接无误后接通 220V/12V 适配器电源, 与原机开关电源使用 220V 市电一样, 熟悉的开机画面和启动过程无任何异样, 其声画俱佳。 配用 220V/12V 电源适配器在机实验测试数据 测量仪表: DT890 数字万用表(DC: 10A 档) 在接收机进入“增加节目” 状态后, 其电流值显示比在接收节目状态时均略下降 5-10mA。 B: 百胜 P-3800 接收机应用实例及性能测试 拆除原机开关电源板及 AC220V 电源线, 在原 AC220V 电源线安装孔装上 12V 电源插座, 主板各组电源与电源板一一对应相联, 检查无误后通电, 接收机启动正常。 注: 本机改装了 DAC 及运放模拟音频部分电路, 同时增加一电源模块, 将原机模拟音频部分电路由单 12V 供电改成正负双 12V 供电。并拆除了 TV RF 调制器。 外接 12V 供电电流有所增加。 图七为在百胜P-3800 接收机上的安装实体图。 配用 220V/12V 电源适配器在机实验测试数据 测量仪表: DT-8888 数字万用表(20A 档) 收视卫星: 113° E 帕拉帕 C2, 高频头: 嘉顿(9750/10600MHz) C: 航科 CDXT430 接收机应用实例及性能测试 拆除原机开关电源板及 AC220V 电源插座。 将电源板在原机开关电源板处安装, 将主板各组电源与电源板一一对应相联, 检查无误后 通电。 接收机启动正常。 图八: 为在航料 430 接收机上的安装实体图。 航科 430 机接收系统: 一个 0. 45 米的碟形卫星接收天线一锅138° E、 146° E 双头双星, 一个 0. 6 米的碟形卫星接收天线一锅113° E 帕拉帕 C2、105. 5° E 3S(Ku) 双头双星至一 22K 中频切换开关,上述各星信号馈线接至 DiSEqC 四切一中频开关再接至航科 430 卫视接收机。 航科 430 系统软件第一系统: 中文南瓜, 第二系统: 英文V+V。 其中 138° E 数码天空、 113° E 真世界两直播平台使用 CV12 网络共享解密系统, 146° E 马步海梦幻直播平台使用 ATMEGA8 芯片黑色 D 卡解密。 配用 220V/12V 电源适配器在机实验测试数据 测量仪表: DT-8888 数字万用表(20A 档) D: 应用镍氢可充电池作电源供应的实验 采用市场上常见到的镍氢电池, 作为直流电源, 看看它的表现如何! 图九为邮购价3元一只的 5 号镍氢电池。电池容量标注1600mAH,标称电压 1. 2V。 10 节镍氢电池经过 20 小时的首次充电后, 串联后测空载电压为14V, 接入已安装在海克威 2000H接收机的 12V电源板的电源输入端。 测量仪表: MF47 万用表 (DC: 50V 档)、 DT890 数字万用表 (DC 10A档)。 环境温度: 18° C 10 节镍氢电池组在连续工作 1 小时 10 分钟后, 电压跌落加快, 在跌落到 5V 时接收机停止工作, 在电池组电压跌落到5V 的过程中, 接收机始终稳定在选定的凤凰咨询台直至停止工作,未发生节目偏移现象。 再次对镍氢电池充电, 充满放置 4 个小...