一款-48V转5VSTBY电源电路的设计

引言

现代电子技术的应用迅速地发展，对电子仪器和设备要求性能上更加安全可靠，功能上，不断地增加。在使用上自动化程度越来越高。在体积上，要日趋小型化。这使采用具有众多优点的开关稳压电源就显得更加重要了。所以，开关稳压电源在计算机、通信、航天、彩色电视等方面都得到了越来越广泛的应用，发挥了巨大的作用[1]。该-48V转5VSTB方案采用的是中小功率开关电源中最典型的单端反激模式，电路中DC/DC转换采用POWERINT公司宽范围输入的三引脚PWM开关TOP414G，它的最高工作频率132KHz，最大占空比70%。

TOP414G内部结构及工作原理

TOP414G的内部功能框图如下图1所示。内部集成有高压MOS开关管(图1右边那个MOS管)，其工作原理就是通过Control引脚采样到的反馈信号(IFB)经过内部控制电路调节大功率MOS管的导通和截止时间(占空比)，从而控制其漏极的输出，达到稳定电路输出电压的目的。下面是其引脚定义：

C pin：误差放大和反馈电流输入引脚，用来调节芯片内部MOS开关管的占空比 S pin：内部MOS开关管的源极，也就是DC/DC前级电路的参考地

D pin：内部MOS开关管的漏极，在电路启动时通过该引脚为芯片提供内部偏置电流，电路稳定后偏置电流由Control引脚的Vc提供，同时作为内部电流取样引脚用，起初级限流作用。

-48V转5VSTB电路工作原理

下图2是-48V转5VSTB的电路原理图，工作原理如下：

-48V上电瞬间，48V高压(BGND相对-48V而言)通过D引脚为TOP414G芯片提供工作必须的内部偏置电流，使芯片内部的控制电路开始工作，驱动内部高压MOS管开始其第一个开关周期，变压器次级开始有电压输出，此时由48V高压提供的偏置电流源断开。在TOP414G内部高压MOS管导通期间，维持芯片持续工作所需的偏置电流由C20(代指C脚所有外接电容)的储能提供;在MOS开关管截止期间，该偏流则由反激变压器T1的偏置绕组产生的偏压经D3整流后提供，同时对电容C20充电，为下一个周期做准备，保证电路持续输出。

图3是取样反馈电路，由光耦U2、三端并联稳压器TL431及取样电阻网络组成，电路最终的输出电压由下式决定：

Vo=Vref*[1+R7 / (R8//R9)]

当输出电压Vo增加时，Vref增加，导致通过TL431的阴极、阳极之间的电流增大，即通过光电耦合器U2初级的电流增大，使反馈到 TOP414G的C脚的电流增加，芯片内部控制电路便降低其内部MOS管的占空比，从而使输出电压Vo降低，起到稳压的作用。同理，当输出电压Vo降低时，TOP414G则提高MOS管的占空比，起到稳定输出电压的作用。

图2中C1、C2、C3电容网络起电源前端滤波作用，保证输入电源(-48V)的纯净。R1、D1和C4组成前级钳位电路，抑制电路中因高 dv/dt、di/dt产生的尖峰，降低单板的EMC影响。因为感性(容性)器件自身的电流(电压)不能突变，当U1内部的MOS管由导通变为截止的瞬间，如果没有R1、D1和C4组成的钳位电路，变压器T1初级的大电流没有泻放回路，将产生很高的电压尖峰，可能为正常工作时的几倍，严重的话会击穿U1 内部的MOS管从而损坏U1，有了钳位电路后，MOS管断开的瞬间，T1初级的高压将通过D1对C4充电构成泻放回路，在MOS管下次导通之前，C4上的电荷则可通过R1泻放掉，因此可以达到抑制尖峰，降低单板的EMC影响的作用。图3中电感L1和电容C7/C8/C9/C11/C12/C13构成pi型输出滤波器，滤除输出电压的高频噪声，降低纹波，同时在U1关断的时候起续流作用，为负载提供输出电压。其中C13一般选用容量小的陶瓷电容，滤除剩下的高频噪声。R7、R8、R9是取样电阻，和U2、U3一起构成取样反馈网络。 5VSTB使能控制电路工作原理

下图为-48V转5VSTB使能控制部分电路，工作原理为：当JOIN_EN与BGND连接时，R10和R11分压使三极管Q1的Vbe大于其阀值电压，此时Q1导通，将图6中B点电位拉低，三极管Q2截至，U1正常工作，-48V转5VSTB电路正常输出;当JOIN_EN悬空时，三极管Q1截至，R12、R13分压使B点电位高于三极管Q2的阀值电压，Q2导通，将U1的控制管脚C强制拉低，U1停止工作，-48V转5VSTB无电压输出。

结束语

该-48V转5VSTBY电路经长时间多块单板使用证明，电源设计合理，工作可靠，性价比高，具有很强的实际应用价值和广阔的前景。TOP414集电压型PWM控制器与N沟道功率MOSFET于一体，集成了120kHz振荡器、高压起动偏置电路、温度补偿、并联调整器/误差放大器和故障保护等电路。 TOP414的内部起动和电流限制电路减少了直流损耗，CMOS控制器/栅极驱动器仅消耗7mW的功率，70%的最大占空比使导通损耗最小化，低容量 MOSFET有效地降低了开关损耗，从而使其在回扫拓扑应用中的效率在80%以上。它具有管脚数量少，外围电路简单，安装与调试简便，价格低廉等优点。设计结构简单，性能稳定，实现了对电信设备供电的功能，对电信设备的整体性能提高大有益处。