微功率隔离电源设计

1.2 DC/DC变换电路
　　由于电源最大的设计难点是输入功率极小，因此对于隔离端的设计不能采用功耗比较大的隔离反馈模式，实际电路采用了副边开环的方式。具体使用MAX639来设计DC/DC核心电路，实现了较高的电能效率转换，在315mA供电输入时可以提供远大于315mA的电流给电路供电，从而解决了智能系统大电流的需求。根据系统的要求，核心芯片必须具备微功耗、高效率、输入电压范围宽，以及外围器件简单等优点。图1中DC/DC芯片为MAXIM公司的MAX639[3]，它是降压型DC/DC转换芯片，它的主要特点：输入电压范围宽(4~1115V);转换效率高(可达90%以上);静态电流低(10μA);可固定输出或可调输出。
　　电路设计为可调输出，输出设定为3V.输出电流：Io=(Vi Iiη)/Vom
　　式中：Vi为输入电压;Ii为输入电流;η为转换效率;Vo为输出电压。
　　电路中Vi=812V，Ii=315mA，η=90%，Vo=3V，在不考虑隔离副边输出时，可获得的Io约为816mA，这个输出电流在微功耗系统中已经是比较大的供给能力了。以上Io的计算只是理论上的，要想在315mA/812V这样微输入功率的条件下使电路可靠启动，并获得90%以上的转换效率需要对电路进行非常细致的设计。
　　DC/DC的可靠启动是由许多条件制约的，必要的条件就是必须提供足够大的启动脉冲电流。在Z1旁并联了1只10μF的钽电解电容C2提供启动保证，同时也能够有效避免DC/DC的工作对LM317的恒流特性产生干扰。电感L1对DC/DC的转换效率起决定作用，MAXIM手册提供的算法是L1=50/IO，L1的单位是μH，IO的单位是A.实际电路中L1的取值为4mH，能够保证电路在最大输出功率下稳定工作，同时又能够保证足够高的转换效率。需要强调的是，如果L1偏小，电路的转换效率将降低，启动电流增大，甚至无法启动。如果L1偏大，则会造成输出能力下降，同时DC/DC电路将可能产生振荡。
　　为保证电路的稳定，DC/DC芯片对输出电容C3有着很高的要求，最重要的一点就是它的等效串联电阻ESR必须足够小[4]，同时要有足够的容量。电路设计采用了性能优良的10μF钽电解电容器，能够保证稳定的输出。
　　DC/DC芯片是该电路的核心，实际电路线路布局对电路的性能影响非常大，尤其对输出的纹波有直接影响，不合理的电路板布局设计甚至会在输出带来额外的寄生振荡，设计时必须注意。最重要的原则就是C2与LI引线端要尽量靠近MAX639引脚，C2、D2、MAX639、R3以及C3的接地引脚尽量靠近，尽量使用粗线，最好使用地平面。DC/DC的输入电压设定为812V，由Z1保证，如果实际的变送器要求的电源功率比较小，Z1则可以选择更低的稳压值，这样能够使整个电源对入口电压要求更低。设计的入口电压低限为12V，如果Z1选择612V，则入口低限电压可以降低到10V。
                               
                　　1.3隔离电源绕组
　　电路的主要特色是提供了一个隔离的供电绕组，它采用了在DC/DC输出储能电感上"窃"电的方法。如图1所示，L2就是这个隔离电源的供电线圈。由于这组隔离电源是在DC/DC的储能线圈上加载的副线圈，结构为开环形式，因此它的输出稳定性相对比较差，在整体设计时必须从多角度统筹考虑，才能够获得满意的效果。
　　首先要确定它的输出功率。由于采用在储能线圈上"窃"电的方法，它的输出功率是受限制的，只能小于原边输出功率。这组隔离电源输出在具体变送器应用时主要为传感器转换电路、前端A/D转换器和隔离电路供电。差动电容传感器、热电偶传感器及热电阻等传感器的模拟测量电路耗电是μA级的，前端A/D一般采用多积分型或者Σ-Δ型A/D，耗电小于1mA，低功耗光电隔离整体也能够作到1mA以下。因此，隔离绕组只要保证能提供3mA的电流就能够满足实际需要，已经计算出在无副绕组情况下，电路最大输出为816mA，显然在有副绕组的情况下，完全可以为它提供3mA电流。
　　其次，隔离绕组由于采用开环结构，原边负载的变化直接影响副边的稳定性，因此电路在实际使用时，要求原边的电路系统在运行时需要尽可能保证功耗的稳定性，尽量避免对功耗比较大的器件使用工作/休眠轮换的方式。电路能够为原边提供最大5mA的使用电流，完全能够满足常用微功耗MCU控制系统的工作，不需要使用休眠方式，这样做还能够获得最大的系统运行速度。
　　最后，由于隔离电源绕组主要为前端小信号模拟电路供电，对电源的质量要求较高，因此设计时将低压差线性稳压器和DC/DC转换器配合使用。将经DC/DC转换的输出低电压经过低压差线性稳压器(LDO)的降噪和稳压处理，这样取长补短，既可以提高供电效率，又可满足纹波电压小的要求，具体LDO采用了MAX1726芯片[5]，它的工作电流仅2μA，输出为313V.稳压前的输出幅度取决于原边的输出功率和L2的电感量，经试验确定，L2为3mH，当原边电流在3~5mA之间变化，副边电流为2mA时，稳压前电压在318~418V之间波动，满足LDO稳压对输入的要求。