基于汽車艦船兩用的穩(wěn)壓電源設(shè)計

陳 可

（海軍駐桂林地區(qū)軍事代表室，廣西 桂林 541002）

1 前言

隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)的快速發(fā)展，民用市場的逐步開放，一些導(dǎo)航應(yīng)用終端已經(jīng)應(yīng)用到祖國的相關(guān)行業(yè)中去，比如公務(wù)車監(jiān)管、車載定位、艦船導(dǎo)航與通信等等。這類設(shè)備小型、輕便、精度高、性能優(yōu)、耗電低、應(yīng)用范圍廣，另外在實際應(yīng)用中各行業(yè)提供的供電標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，并且供電電源的電壓又不穩(wěn)定，鑒于這些因素，設(shè)計一款寬輸入電壓范圍、轉(zhuǎn)換效率高、輸出電壓穩(wěn)定、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一且紋波系數(shù)低的穩(wěn)壓電源供電系統(tǒng)有一定實際意義，系統(tǒng)支持鋰離子電池充電功能。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

穩(wěn)壓電源系統(tǒng)主要由穩(wěn)壓部分、充電管理部分和升壓部分共三個模塊組成。其中穩(wěn)壓部分實現(xiàn)寬輸入電壓范圍的降壓、穩(wěn)壓工作，充電管理部分實現(xiàn)鋰離子電池的充電管理，便于導(dǎo)航應(yīng)用終端實時工作，升壓部分用來實現(xiàn)鋰離子電池的升壓，提供穩(wěn)定的供電電源。系統(tǒng)的基本工作原理是：當(dāng)外接DC 時，穩(wěn)壓部分將外接DC穩(wěn)壓到5V電壓輸出，同時使能電源管理部分，鋰離子電池開始充電，在充電過程中電源管理芯片負(fù)責(zé)監(jiān)控鋰離子電池的充電過程，保證鋰離子電池的工作安全，與此同時升壓部分被控制電路禁能；當(dāng)外接DC斷開時，穩(wěn)壓部分停止工作，控制電路禁能電源管理部分，使能升壓部分，使其穩(wěn)壓5V輸出；升壓部分和穩(wěn)壓部分使用肖特基功率整流開關(guān)進行隔離，以防兩者之間形成串流。穩(wěn)壓電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 穩(wěn)壓電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 電源模塊的硬件設(shè)計

3.1 穩(wěn)壓部分

穩(wěn)壓部分是電源系統(tǒng)的核心部分，主要由開關(guān)穩(wěn)壓芯片TPS54560及相應(yīng)外圍元件構(gòu)成。該芯片是美國德州儀器公司（TI）推出的一款寬輸入電壓范圍（4.5V-60V），輸出電流達(dá)5A的降壓型 DC-DC轉(zhuǎn)換器。芯片具有軟啟動、欠壓保護及Eco-mode，開關(guān)頻率可調(diào)，適用與工業(yè)自動化、衛(wèi)星導(dǎo)航等應(yīng)用領(lǐng)域。設(shè)計原理圖如圖2所示。

3.2 充電管理部分

在外接DC斷開時為了能讓導(dǎo)航應(yīng)用終端繼續(xù)工作，電源系統(tǒng)設(shè)計了鋰離子電池充電管理部分。該部分主要采用南京拓微IC公司生產(chǎn)的TP4056線性鋰離子電池充電管理芯片，可編程充電電流高達(dá)1A，芯片內(nèi)部為PMOSFET結(jié)構(gòu)，采用恒流恒壓工作模式，具有防倒充，對充電電流可進行自動調(diào)節(jié)功能，在低電流或停機狀態(tài)下，電池的漏電流降至2uA以下。具體設(shè)計原理圖如圖3所示。

圖3 充電管理部分原理圖

3.3 升壓部分

由于鋰離子電池的充電電壓固定在4.2V，在鋰離子電池供電的情況下，隨著供電時長，鋰離子電池電量將會逐漸減少，輸出電壓逐漸下降，這必將導(dǎo)致導(dǎo)航終端工作不穩(wěn)定。采用美國德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的TPS61175開關(guān)穩(wěn)壓芯片可得到穩(wěn)定輸出電壓。芯片高達(dá)93%的轉(zhuǎn)換效率，具有軟啟動、欠壓保護、開關(guān)頻率可調(diào)等功能。設(shè)計原理圖如圖4所示。

圖4 升壓部分原理圖

4 PCB設(shè)計與調(diào)試

4.1 PCB設(shè)計

眾所周知，所有電子終端消耗的功率都是來源于前端穩(wěn)壓電源，那么穩(wěn)壓電源中用于穩(wěn)定電壓控制的晶體管、IC穩(wěn)壓器等必須時刻工作在高壓、強電流狀態(tài)下，因此在這種狀態(tài)下穩(wěn)壓電源功率的損耗和發(fā)熱問題在所難免了。另外開關(guān)穩(wěn)壓器在工作時還會產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲，所以要解決上述問題，使穩(wěn)壓電源達(dá)到預(yù)期的工作性能，PCB的布局和布線至關(guān)重要，否則，芯片內(nèi)部的監(jiān)管機構(gòu)將會遭受不穩(wěn)定或噪聲的影響。

本電源系統(tǒng)中由于穩(wěn)壓部分和升壓部分使用的都是定頻開關(guān)技術(shù)，相對于變頻開關(guān)技術(shù)而言，其濾波部分還是比較容易設(shè)計的，只需將相關(guān)LC濾波盡可能靠近芯片IC引腳即可。對于芯片開關(guān)SW引腳，由于此引腳涉及到納秒級的高電流路徑，最易收到外界干擾，因此此處的路徑要盡可能地短，另外兩者的工作頻率最好選為一致，防止彼此間產(chǎn)生不必要的噪聲干擾。

充電管理部分由于其IC芯片很小，在PCB設(shè)計時要特別注意熱設(shè)計，好的熱設(shè)計能最大幅度地增加可以使用的充電電流，否則芯片內(nèi)部自帶的熱反饋鏈路將會對充電電流進行自動調(diào)節(jié)，達(dá)到對芯片溫度的安全限制。其散熱通路就是從芯片到引線架構(gòu)，再通過芯片底部散熱片到達(dá) PCB板的銅面以消耗IC所產(chǎn)生的熱量。在PCB布局時，與芯片散熱片相連的銅面積應(yīng)盡可能寬闊，并向芯片外延伸至較大的銅面積以使熱量散插到周圍環(huán)境中，芯片散熱片中使用多通孔能利于改善充電芯片整體熱性能，鋰離子電池的放置對充電管理部分總體溫升及最大充電電流也有一定影響。

4.2 模塊調(diào)試

在原理設(shè)計時為了隔離穩(wěn)壓部分和升壓部分，使用了肖特基功率整流開關(guān)，由于肖特基整流開關(guān)導(dǎo)通的電壓在0.4-0.5V之間，為了能更好的隔離這兩個模塊，穩(wěn)壓部分的穩(wěn)壓輸出必須要稍大于升壓部分的輸出，否則隔離無效，導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。對于穩(wěn)壓部分通過電阻分壓反饋調(diào)整其輸出為5.05V，升壓部分調(diào)整為4.95V。

充電電流的大小與充電時長成反比，本充電管理部分使用的TP4056標(biāo)稱工作在大充電電流模式下（700mA以上），但實際充電電流一般都是小于此值，設(shè)計時除了 PCB中需要考慮芯片的熱設(shè)計，在調(diào)試時還要考慮在芯片IC電源供應(yīng)部分增加熱耗散電阻，這樣可以縮短鋰離子電池的充電時間。

控制電路部分主要是由8550三極管和外圍分壓電阻網(wǎng)絡(luò)組成，由于充電管理部分和升壓部分使用的芯片帶有欠壓保護功能，因此在設(shè)置芯片使能和禁能電壓時要注意參考芯片的UVLO（Under Voltage Lockout）。

5 結(jié)論

本文根據(jù)通用的衛(wèi)星導(dǎo)航終端對供電電源提出的參數(shù)要求，使用了拼接方法來設(shè)計了一款寬輸入電壓范圍的穩(wěn)壓電源。通過對開關(guān)電源及充電電源管理的相關(guān)原理學(xué)習(xí)，選擇出合適的元器件及元器件參數(shù)值。在得出系統(tǒng)原理設(shè)計圖后，對開關(guān)電源的 PCB設(shè)計進行了一定的分析，并對電源系統(tǒng)做了最后的物理實現(xiàn)，進過實驗測試，性能優(yōu)越，達(dá)到設(shè)計初期的指標(biāo)，進一步也驗證了本設(shè)計方案的正確性。

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