有些朋友需要经常上楼顶调试卫视天线,或想在驾车休闲旅行时能享受到精彩的卫视节目,而在此时没有市电就成了大问题,如果能让卫视接收机使用电池或汽车蓄电池供电是多么的有意义。
我们知道,常见的卫视接收机普遍采用的是开关电源,其设计输出的电压一般有以下几组:
a. 3.3V@3A (供主芯片、SDRAM及FLASH MEMORY等)
b. 5V@1.5A(供TUNER、前面板及音频DAC等)
c. 12V@0.5A(供音频LPF运放及0/12V切换输出等)
d. 21V@0.5A(供LNB 13/18V切换输出)
e. 30V@0.01A(TUNER容变二极管调谐)
(注:少部分机型有-12V电源,供音频LPF运放。在有PVR功能的接收机中,5V/12V电源需供硬盘电源)。
虽然我们可以使用常见的逆变器将12V或24V直流电源变换成220V交流电源供给接收机使用,但电源经DC→AC→DC多次转换,其能源利用效率大为降低。而且很多低价格逆变器的输出交流波形并不是正弦波。更有甚者,有的逆变器就直接用方波激励逆变器逆变管,使输出的交流中包含有大量的高次谐波。这种高次谐波会干扰其它电器,同时影响卫视接收机的音视频放送质量,严重的甚至会干扰卫视接收机,造成死机等故障发生。同时,沉重、落后的逆变器不便携带。
当然我们可以用线性三端稳压器件来满足接收机所需要的几组电源,但线性稳压电源有一个共同的特点,就是它的功率器件调整管工作在线性区,靠调整管的电压降来稳定输出。这种线性稳压电源的线性调整工作方式在工作中会有大量的“热损失”,其热损值为P=V(调整管压降)×I(负载电流),工作效率仅为30%~50%。由于调整管静态功率损耗大,需要安装一个很大的散热器给它散热。卫视接收机系统一般都需要几组稳定的工作电压才能可靠工作,这样就需要好几个线性稳压器才能满足要求,并且在相当多的接收机中都需要有33V电源供Tuner作为调谐电压,因此采用线性稳压电源方式时,其输入电源电压就要大于33V。同时线性电源较低的效率也会使大量的输入电能变成热能而白白消耗掉,在实用性和经济性上都不能达到朋友的要求,而且高达30多伏的输入电源在户外环境或移动情况下难以实现。
开关型直流稳压电源是与线性稳压电源不同的另一类稳压电源,它和线性电源的根本区别在于它是工作在几十千赫兹到几兆赫兹。功率器件调整管是工作在饱和及截止区,即开关状态,开关电源因此而得名。开关电源调节器件以完全导通或关断的方式工作,工作时要么是大电流流过低导通电压降的开关管,要么是完全截止无电流流过,因此,开关稳压电源的功耗极低,其平均工作效率可达70%~90%。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100μF,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。