脉波频率调变(PFM)控制IC于停止切换的间歇时间可达数毫秒(msec)之久,所以半导体切换元件的切换损失,比起定频PWM的控制IC要小很多;若被动元件选择正确,利用这类IC设计的电源转换器会有较高的效率。
关于PDA电源线路之设计,笔者已在113期做过简单介绍;而PDA的电源还有一部分也很重要,就是提供Panel的电源。 Panel的材质,影响电源供给的方式;一般来说,大概分为TFT与STN两种。对于这些Panel来说,不同的驱动电路也就产生不同的电源需求;虽然有各种不同的电源需求,其中具有正负电压的电源是较常见到的设计,参考(图一)所示,本文将对此具有正负电压的电源设计做一介绍。
如(图二)a之反驰式升降压电路,虽然电路简单,可是会用到变压器。此变压器的体积或高度有一定大小,对于PDA或小型电子产品不合适,所以采用b与c的电路较合适。今将两电路之操作原理及设计范例说明如下:
操作原理
一.升压型电源转换器
当切换元件M导通时,输入电源Vin对电感L充电,以电磁能方式将能亮储存于电感中。此时因为二极体D1逆偏,所以开路,负载电流由输出电容C提供,所以要降低输出涟波,就要增加输出电容值,或是提高切换元件M的切换频率,参考(图三) 。
当切换元件M截止时,等效电路,二极体D1会因电感之楞次定律导通,电感L之电磁能会释放至负载端,同时对电容C充电,其电压电流波形可参考(图四)。
二.负压型转换器
A.当切换元件M导通时,输入电源Vin,对电感L充电,以电磁能方式将能量储存于电感中;此时因为二极体D1逆偏所以开路,负载电流由输出电容C提供,所以要降低输出涟波,就要增加输出电容值,或是提高切换元件M的切换频率,参考(图五)。
B.当切换元件M截止时,等效电路参考;二极体D1会因电感之楞次定律导通,电感L之电磁能会释放至负载端,同时对电容C充电,其电压电流波形可参考(图六)。
应用范例
金举一实际例子,若PDA之Panel驱动电路之电源需求为+3.3v及±28v。其中3.3v可用上篇介绍的SEPIC电路设计,至于±28v将利用3.3v升至+28v及-28v,叙述如下:
3.3v转28v:
STEP 1确定电气规格
Input=2.8v~4.2v
Output=28v
Output Current=3mA~10mA
Output Voltage Ripple〈1.4v
STEP 2选定升压型电源转换器,切换频率100kHz
STEP 3计算电感L
L〈LB=[Vo*Ts*Dmin*(1-Dmin)2]/(2*IoB),佛瑞 PFM Controller
Ts=1/fs=1/100k=10(μsec)
IoB=Iomin=3mA
Dmin=1-Vimax/Vo=1-4.2/28=.85
L〈LB=[28*10μ*.85*(1- .85)2]/(2*3m)=892uH
L LB/20=44.6U,佛瑞 Character of PFM Controller
STEP 4切换元件规格
Diode D1 耐压〉28v,耐电流〉2*Io=20mA
选取1N5819,40v/1A
Mosfet M 耐压〉28v,耐(20mA*28/3.3)/0.8=0.21A
选取CET3055,60v/4A
STEP 5输出电容选择
C〉Io*D*Ts/ΔVo=10m*.85*10u/1.4=60 nF
ENERmax〈ΔVo/ΔID1=1.4/20m=70Ω
选取100uF/50v
3.3转-28V
STEP 1确定电气规格
Input=2.8v~4.2v
Output=-28v
Output Current=3mA~10mA
Output Voltage Ripple〈1.4v
STEP 2选定负压型电源转换器,切换频率100kHz
STEP 3计算电感L
L〉LB=To*Ts*(1-Dmin)2/(2*IoB)
Vo/Vimax=Dmin/(1-Dmin)=28/4.2
IoB=Io=10mA
Dmin=0.86
L〉LB=28*10U*(1-0.86)2/(2*10没)274UH
L=〉330UH
STEP 4切换元件规格
Diode D1 耐压〉28v+4.2v=32.2v,耐电流〉 Io=10mA
选取1N5819,40v/1A
Mosfet M 耐压〉28v+4.2v=32.2v,耐电流〉(10mA*28/3.3)/0.8=0.11A
选取CET3055,60v/4A
STEP 5输出电容选择
C〉Io*D*Ts/ΔVo=10m*.86*10u/1.4=60nF
ENERmax〈ΔVo/ΔID1=1.4/20m=70Ω
选取100uF/50v
实验结果
今将上述设计值经实验后,结果如下所示(图七)(图八):
结论
虽然在坊间有一些技术书籍,会介绍相关的动作原理及元件计算方式,可是实际的应用设计就很不容易找到,因此读者可以经由此篇文章,略知PDA电源管理的设计方法。本文的实验电路中,采用脉波频率调变(PFM)控制IC。这种IC的脉波截止时间固定,脉波的导通时间可变,可以依输入电压或负载大小作适当调变,而得到稳定之输出电压。
这类控制IC与PWM另一不同之处是,其切换动作是间歇性的。若输出电压达到设定值,切换动作就停止;一直到输出电压低于设定值,再行切换动作。其停止切换的间歇时间可达数毫秒(msec)之久,所以半导体切换元件的切换损失,比起定频PWM的控制IC要小很多,若被动元件选择正确,利用这类IC设计的电源转换器会有较高的效率。