便携式B超电源的设计
便携式b超电源的设计
便携式b超系统内部使用的电源比较复杂，外部适配器和电池的电源必须经过dc/dc转换，以转换成系统需要的电压。为了降低电源上的无用消耗，提高电池使用效率，系统主板、b超控制板、液晶显示器以及键盘的电源采用开关电源供电。
便携b超电源的整体设计
图1为便携b超电源的整体设计方框图。便携b超电源输入电压有两种：一是电源适配器输入，电压为18v，二是电池输入，电压为14.4v。要求实现两种电压之间的热切换，并在切换电压时不影响系统工作，即提供外电和电池供电无延时热切换功能。需要输出±12v、5v、3.3v、±48v等几种电压，具体指标为12v/2.5a、-12v/0.5a、5v/4a、3.3v/3a、+48v/80ma、-48v/80ma。具有单键开关机功能，即无电时，按电源键打开电源；在有电时，按电源键向控制面板发送关机信号，上位机还可以通过软件关机（即支持atx关机指令）。电源输出接口采用标准计算机atx接口。
图1 便携b超电源整体设计方框图
电源切换电路的设计
便携b超电源切换电路如图2所示，在外接电源适配器时，电压输入交流18v，经vd100、vd101二极管后，再经r100、r107分压加到n100a（lm193）电压比较器的3脚（同相端）。电池输入电压是14.4v，经r101、r108分压后加到n100a（lm193）电压比较器2脚（反相端）。由于3脚电压高于2脚，因此n100a（lm193）1脚输出高电平，使三极管v100导通，v101截至，场效应管v105截至，power_in+端得到的是外接电源适配器的18v电压。当没有外接电源适配器时，或便携b超机在使用过程中，外部交流电突然停电造成无法使用外接电源适配器时， n100a（lm193）的3脚电压低于2脚，n100a（lm193）1脚输出低电平，使三极管v100截至，v101导通，场效应管v105导通。电池电压经过导通的场效应管v105的源、漏极，power_in+端得到的是电池的14.4v电压，实现了两种电压之间的热切换。vd102、vd103在电路中起隔离作用，隔离外接电源适配器和电池供电。
图2 电源切换电路
单键触摸开关机电路的设计
便携b超单键触摸开关机电路如图3所示，由外接适配器或电池来的power_in+电压，一路送到场效应管q100，准备开机，另一路经r104、vd104送到轻触按钮power-key2的一端。轻触按钮power-key2的另一端是接地的，当按下轻触按钮power-key2时，三极管n106的基极被钳位在低电平，n106导通，进而n102也导通，场效应管q100导通，由外接适配器或电池来的power_in+电压经过导通的q100的源、漏极，获得power+电压，给高、低压电路供电，机器开机。在开机的同时，power+电压经过6v的稳压二极管使三极管n104导通，n104集电极为低电平，维持n106导通，保持开机状态。
图3 单键触摸开关机电路
当便携b超机在开机状态中，再一次按下按钮power-key2时，光耦b101导通，光耦次级导通，反向器d101的4脚输出低电平到控制面板，控制面板发出低电平关机指令power-off1，使光耦b100导通，进而使三极管n103导通，n104截至，n104集电极的高电平使n106截至，导致场效应管q100截至，实现了关机。
当上位机发出高电平的关机指令power-off时，也将使光耦b100导通，余下的过程和控制面板关机过程一样。
低压电源电路的设计
便携b超低压电源电路如图4所示，主要有6个ti公司的tps5430和1个美国国家半导体公司的lm2576组成。6个tps5430提供2组+12v、+5v、+3.3v的电压，其中一组给便携b超机的主控板供电，另外一组用于给便携b超中的电脑供电。这两组是完全一样的，因此，我们只给出了其中一组的供电原理图。lm2576负责产生-12v电压给便携b超中的电脑。
图4 低压电源电路
tps5430有5.5～36v的宽电压输入范围，连续的3a的电流输出能力（峰值达4a），转换效率达95%。8引脚小型贴片封装，芯片背部是金属散热片，使用的时候一定要焊接到地，做pcb封装的时候将散热片当成第9脚。不需要再接散热装置，利用电路板本身散热就可以取得很好的效果，特别适合便携产品的设计使用。tps5430的1脚是boot端，需要在boot和8脚ph间接0.01μf的低esr电容。2、3脚是空端，4脚vsense是调整器的反馈电压端，接输出电压的分压电阻端，来取得输出电压的反馈。5脚ena是电源on/off控制端，当此脚电压低于0.5v以下时，本芯片将关闭电源转换，供电电流减少到18μa，悬空的时候使能，芯片正常工作，我们没有对此脚控制，因此悬空没接。6脚接地，7脚vin是电源供电端，接power+。在电源供电和地间接一个高质量、低esr的陶瓷电容。8脚ph是内部功率场效应管的源极，外部连接续流二极管和电感。第9脚powerpad端是芯片背部散热金属片，必须连接到地（gnd）上。
tps5430的输出电压值是由其4脚的分压电压值决定的，输出电压vout=（1.221+（r1×1.221）/r2）v。其中，r1是分压上电阻，r2是分压下电阻。对于tps5430的设计，r1可以取10kω，r2则能根据要获得的输出电压来计算。根据图4给出的r206(1.11k)、r208(3.07k)、r210(5.36k)，我们可以计算出输出电压分别是12.2v、5.2v、3.5v，比设计值略高0.2v，负载比较重，带载的时候电压正好合适。
n208(lm2576-12)是美国国家半导体的产品，1脚是电源供电端，接power+；2脚是输出端，外接续流二极管和电感；3脚是接地端，5脚是电源on/off控制端，由于要输出负电压，因此3、5脚没有接地而是接-12v电源上了；4脚是电压反馈端，我们使用固定12v输出的lm2576-12，故4脚接地，不需要接反馈电阻分压。
高压电源电路的设计
便携b超高压电源电路如图5所示，使用dc/dc变换器。ua3843是专门用于dc/dc变换器应用的高性能、固定频率、电流模式控制器，为设计者提供使用最少外部元件的高性价比的解决方案。其分pwm控制、周波电流限制、电压控制等几部分。
图5 ±48v电源电路
1 pwm控制
power+经过电阻r34为n1(ua3843)的7脚提供电压，n1的4脚外接r36、c33与内部电路形成的锯齿波振荡器开始工作。pwm脉冲由n1的6脚输出，控制mosfet v9的导通时间，决定输出电压的高低。r37用于抑制寄生振荡，通常串联在靠近mosfet栅极处。栅极电阻r37不能太大，它直接影响pwm驱动信号对mosfet输入电容的充放电，即影响mosfet的开关速度。开关变压器的次级第9、10脚输出的感应电动势经vd14整流，c35、l7、c36滤波，形成+48v直流输出电压为b超探头供电。开关变压器的次级第7、6脚输出的感应电动势经vd13整流、c39、l8、c37滤波，形成-48v直流输出电压为b超探头供电。vd12、c34、r38组成尖峰脉冲吸收电路，用于在开关管从导通转为截止的瞬间抑制v9的漏极所产生的幅值极高的尖峰脉冲。其原理是：在v9截止的瞬间，其漏极产生的尖峰脉冲经vd12、c34构成充电回路，充电电流将尖峰脉冲抑制在一定的范围内，避免了v9被尖峰脉冲击穿。当c34充电结束后，c34通过r38放电，为下个周期再次吸收尖峰脉冲作准备
2 周波电流限制
2脚feed back是反馈电压输入端，此脚与内部误差放大器同相输入端的基准电压(一般为+2.5v)进行比较，产生控制电压，控制脉冲的宽度，本电路将其接地，由内部误差放大器的输出端1脚进行控制。3脚的周波电流限制信号决定了pwm脉冲的宽度，即决定了输出电压的高低。n1(ua3843)3脚外接的r47、r48、r14、c32组成周波电流限制电路，在每一个振荡周期中，当开关电源脉冲变压器l6初级的3～5绕组电感电流峰值达到设定值时就关闭pwm脉冲，设定值由n1(ua3843)的1脚comp端电压决定（1脚comp是内部误差放大器的输出端），通常此脚与2脚之间接有反馈网络，以确定误差放大器的增益和频响。周波电流限制控制过程如下：开关管导通，电感电流上升，取样电压v3上升，当3脚电压大于1v时，内部电流检测比较器翻转，内部pwm锁存器复位，关闭pwm脉冲，准备进入下周期。为消除电流限制电路尖波脉冲干扰，由r14、c32组成尖波滤波电路，以确保周波电流限制功能在每一个振荡周期中都有效。r47、r48为限流取样电阻，决定了整个开关变换器的最大输出电流值，改变其阻值可以调整最大输出电流。
3 电压控制
n1(ua3843)是电流型脉宽调制器，有两个闭环控制。电流取样信号送到电流检测比较器同相输入端3脚，构成电流闭环控制,误差电压送到内部误差放大器的输出端1脚，其输出送到电流检测比较器反相输入端作为比较基准，构成电压闭环控制。由此看出，电压闭环与电流闭环是相互作用的，两者最后都通过电流检测比较器来控制pwm锁存器，即控制pwm脉冲的宽度。电压闭环控制电路由电压基准n2(tl431a)、光电耦合器b4(tlp521)及电阻r31、vr7、r12、r32等元件组成。光电耦合器b4(tlp521)输出的电流信号转化成电压信号，送到内部误差放大器的输出端1脚。n2(tl431a)误差放大器内部比较基准为2.5v。电压闭环稳压控制过程是：输出电压上升，tl431a基准端vr上升，tl431导通上升，光电耦合器b4(tlp521)导通上升，1脚电压下降，内部电流检测比较器翻转提前，内部pwm锁存器复位提前，pwm脉冲变窄，输出电压变低，从而稳定了输出电压。高压输出电压值vout=(1+r31/(r12+vr7))vref，通过调节电位器vr7的值，可以使输出调整在±48v，调节范围是31×2.5=77.5v～（1+15）×2.5=32v。
结语
本文介绍了便携式b超电源的设计，包括电源切换电路的设计、单键触摸开关机电路的设计、低压电源电路的设计及高压电源电路的设计。在我们的便携设备中很好的完成了设计指标的要求，可以应用到其他便携设备中。
如何从其ADC通道读取模拟输入信号
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工业物联网的黄金时代已来临
2线串行接口,32点阵VK1Q60 LED数显驱动芯片适用于大小家电LED驱动
比特币的交易输入和输出数量走势分析
便携式b超系统内部使用的电源比较复杂，外部适配器和电池的电源必须经过dc/dc转换，以转换成系统需要的电压。为了降低电源上的无用消耗，提高电池使用效率，系统主板、b超控制板、液晶显示器以及键盘的电源采用开关电源供电。
便携b超电源的整体设计
图1为便携b超电源的整体设计方框图。便携b超电源输入电压有两种：一是电源适配器输入，电压为18v，二是电池输入，电压为14.4v。要求实现两种电压之间的热切换，并在切换电压时不影响系统工作，即提供外电和电池供电无延时热切换功能。需要输出±12v、5v、3.3v、±48v等几种电压，具体指标为12v/2.5a、-12v/0.5a、5v/4a、3.3v/3a、+48v/80ma、-48v/80ma。具有单键开关机功能，即无电时，按电源键打开电源；在有电时，按电源键向控制面板发送关机信号，上位机还可以通过软件关机（即支持atx关机指令）。电源输出接口采用标准计算机atx接口。
图1 便携b超电源整体设计方框图
电源切换电路的设计
便携b超电源切换电路如图2所示，在外接电源适配器时，电压输入交流18v，经vd100、vd101二极管后，再经r100、r107分压加到n100a（lm193）电压比较器的3脚（同相端）。电池输入电压是14.4v，经r101、r108分压后加到n100a（lm193）电压比较器2脚（反相端）。由于3脚电压高于2脚，因此n100a（lm193）1脚输出高电平，使三极管v100导通，v101截至，场效应管v105截至，power_in+端得到的是外接电源适配器的18v电压。当没有外接电源适配器时，或便携b超机在使用过程中，外部交流电突然停电造成无法使用外接电源适配器时， n100a（lm193）的3脚电压低于2脚，n100a（lm193）1脚输出低电平，使三极管v100截至，v101导通，场效应管v105导通。电池电压经过导通的场效应管v105的源、漏极，power_in+端得到的是电池的14.4v电压，实现了两种电压之间的热切换。vd102、vd103在电路中起隔离作用，隔离外接电源适配器和电池供电。
图2 电源切换电路
单键触摸开关机电路的设计
便携b超单键触摸开关机电路如图3所示，由外接适配器或电池来的power_in+电压，一路送到场效应管q100，准备开机，另一路经r104、vd104送到轻触按钮power-key2的一端。轻触按钮power-key2的另一端是接地的，当按下轻触按钮power-key2时，三极管n106的基极被钳位在低电平，n106导通，进而n102也导通，场效应管q100导通，由外接适配器或电池来的power_in+电压经过导通的q100的源、漏极，获得power+电压，给高、低压电路供电，机器开机。在开机的同时，power+电压经过6v的稳压二极管使三极管n104导通，n104集电极为低电平，维持n106导通，保持开机状态。
图3 单键触摸开关机电路
当便携b超机在开机状态中，再一次按下按钮power-key2时，光耦b101导通，光耦次级导通，反向器d101的4脚输出低电平到控制面板，控制面板发出低电平关机指令power-off1，使光耦b100导通，进而使三极管n103导通，n104截至，n104集电极的高电平使n106截至，导致场效应管q100截至，实现了关机。
当上位机发出高电平的关机指令power-off时，也将使光耦b100导通，余下的过程和控制面板关机过程一样。
低压电源电路的设计
便携b超低压电源电路如图4所示，主要有6个ti公司的tps5430和1个美国国家半导体公司的lm2576组成。6个tps5430提供2组+12v、+5v、+3.3v的电压，其中一组给便携b超机的主控板供电，另外一组用于给便携b超中的电脑供电。这两组是完全一样的，因此，我们只给出了其中一组的供电原理图。lm2576负责产生-12v电压给便携b超中的电脑。
图4 低压电源电路
tps5430有5.5～36v的宽电压输入范围，连续的3a的电流输出能力（峰值达4a），转换效率达95%。8引脚小型贴片封装，芯片背部是金属散热片，使用的时候一定要焊接到地，做pcb封装的时候将散热片当成第9脚。不需要再接散热装置，利用电路板本身散热就可以取得很好的效果，特别适合便携产品的设计使用。tps5430的1脚是boot端，需要在boot和8脚ph间接0.01μf的低esr电容。2、3脚是空端，4脚vsense是调整器的反馈电压端，接输出电压的分压电阻端，来取得输出电压的反馈。5脚ena是电源on/off控制端，当此脚电压低于0.5v以下时，本芯片将关闭电源转换，供电电流减少到18μa，悬空的时候使能，芯片正常工作，我们没有对此脚控制，因此悬空没接。6脚接地，7脚vin是电源供电端，接power+。在电源供电和地间接一个高质量、低esr的陶瓷电容。8脚ph是内部功率场效应管的源极，外部连接续流二极管和电感。第9脚powerpad端是芯片背部散热金属片，必须连接到地（gnd）上。
tps5430的输出电压值是由其4脚的分压电压值决定的，输出电压vout=（1.221+（r1×1.221）/r2）v。其中，r1是分压上电阻，r2是分压下电阻。对于tps5430的设计，r1可以取10kω，r2则能根据要获得的输出电压来计算。根据图4给出的r206(1.11k)、r208(3.07k)、r210(5.36k)，我们可以计算出输出电压分别是12.2v、5.2v、3.5v，比设计值略高0.2v，负载比较重，带载的时候电压正好合适。
n208(lm2576-12)是美国国家半导体的产品，1脚是电源供电端，接power+；2脚是输出端，外接续流二极管和电感；3脚是接地端，5脚是电源on/off控制端，由于要输出负电压，因此3、5脚没有接地而是接-12v电源上了；4脚是电压反馈端，我们使用固定12v输出的lm2576-12，故4脚接地，不需要接反馈电阻分压。
高压电源电路的设计
便携b超高压电源电路如图5所示，使用dc/dc变换器。ua3843是专门用于dc/dc变换器应用的高性能、固定频率、电流模式控制器，为设计者提供使用最少外部元件的高性价比的解决方案。其分pwm控制、周波电流限制、电压控制等几部分。
图5 ±48v电源电路
1 pwm控制
power+经过电阻r34为n1(ua3843)的7脚提供电压，n1的4脚外接r36、c33与内部电路形成的锯齿波振荡器开始工作。pwm脉冲由n1的6脚输出，控制mosfet v9的导通时间，决定输出电压的高低。r37用于抑制寄生振荡，通常串联在靠近mosfet栅极处。栅极电阻r37不能太大，它直接影响pwm驱动信号对mosfet输入电容的充放电，即影响mosfet的开关速度。开关变压器的次级第9、10脚输出的感应电动势经vd14整流，c35、l7、c36滤波，形成+48v直流输出电压为b超探头供电。开关变压器的次级第7、6脚输出的感应电动势经vd13整流、c39、l8、c37滤波，形成-48v直流输出电压为b超探头供电。vd12、c34、r38组成尖峰脉冲吸收电路，用于在开关管从导通转为截止的瞬间抑制v9的漏极所产生的幅值极高的尖峰脉冲。其原理是：在v9截止的瞬间，其漏极产生的尖峰脉冲经vd12、c34构成充电回路，充电电流将尖峰脉冲抑制在一定的范围内，避免了v9被尖峰脉冲击穿。当c34充电结束后，c34通过r38放电，为下个周期再次吸收尖峰脉冲作准备
2 周波电流限制
2脚feed back是反馈电压输入端，此脚与内部误差放大器同相输入端的基准电压(一般为+2.5v)进行比较，产生控制电压，控制脉冲的宽度，本电路将其接地，由内部误差放大器的输出端1脚进行控制。3脚的周波电流限制信号决定了pwm脉冲的宽度，即决定了输出电压的高低。n1(ua3843)3脚外接的r47、r48、r14、c32组成周波电流限制电路，在每一个振荡周期中，当开关电源脉冲变压器l6初级的3～5绕组电感电流峰值达到设定值时就关闭pwm脉冲，设定值由n1(ua3843)的1脚comp端电压决定（1脚comp是内部误差放大器的输出端），通常此脚与2脚之间接有反馈网络，以确定误差放大器的增益和频响。周波电流限制控制过程如下：开关管导通，电感电流上升，取样电压v3上升，当3脚电压大于1v时，内部电流检测比较器翻转，内部pwm锁存器复位，关闭pwm脉冲，准备进入下周期。为消除电流限制电路尖波脉冲干扰，由r14、c32组成尖波滤波电路，以确保周波电流限制功能在每一个振荡周期中都有效。r47、r48为限流取样电阻，决定了整个开关变换器的最大输出电流值，改变其阻值可以调整最大输出电流。
3 电压控制
n1(ua3843)是电流型脉宽调制器，有两个闭环控制。电流取样信号送到电流检测比较器同相输入端3脚，构成电流闭环控制,误差电压送到内部误差放大器的输出端1脚，其输出送到电流检测比较器反相输入端作为比较基准，构成电压闭环控制。由此看出，电压闭环与电流闭环是相互作用的，两者最后都通过电流检测比较器来控制pwm锁存器，即控制pwm脉冲的宽度。电压闭环控制电路由电压基准n2(tl431a)、光电耦合器b4(tlp521)及电阻r31、vr7、r12、r32等元件组成。光电耦合器b4(tlp521)输出的电流信号转化成电压信号，送到内部误差放大器的输出端1脚。n2(tl431a)误差放大器内部比较基准为2.5v。电压闭环稳压控制过程是：输出电压上升，tl431a基准端vr上升，tl431导通上升，光电耦合器b4(tlp521)导通上升，1脚电压下降，内部电流检测比较器翻转提前，内部pwm锁存器复位提前，pwm脉冲变窄，输出电压变低，从而稳定了输出电压。高压输出电压值vout=(1+r31/(r12+vr7))vref，通过调节电位器vr7的值，可以使输出调整在±48v，调节范围是31×2.5=77.5v～（1+15）×2.5=32v。
结语
本文介绍了便携式b超电源的设计，包括电源切换电路的设计、单键触摸开关机电路的设计、低压电源电路的设计及高压电源电路的设计。在我们的便携设备中很好的完成了设计指标的要求，可以应用到其他便携设备中。
如何从其ADC通道读取模拟输入信号
Ansys宣布通过GlobalFoundries面向GF 22FDX®平台的半导体工具认证
人工智能技术的发展是否会导致人们失去创新精神
苹果iOS10.3 Beta 6发布：苹果目前最稳定流畅的系统
各行业防雷工程和防雷接地的应用方案
便携式B超电源的设计
经典又实用的超低电容小尺寸的ESD保护方案
鸿利智汇Mini LED背光荣获行家极光奖之十大供应链之星
嵌入式系统架构发展趋势及比较分析
戴森V11无线手持吸尘器上手体验 通过不同的吸头还能满足更多场景环境的清洁
光电式液位传感器的常见问题解答
Wishbone片上总线技术的特点及如何提高PCI系统的负载能力
Redis键的生存时间、生存策略和毁灭策略
澳大利亚构建虚拟发电厂提供电量
DCDC电源纹波的正确测试方法
谷歌重组人工智能团队
IU5987T同步降压型单节多类型锂电池充电管理IC
工业物联网的黄金时代已来临
2线串行接口,32点阵VK1Q60 LED数显驱动芯片适用于大小家电LED驱动
比特币的交易输入和输出数量走势分析