嵌入式系統中小功率開關電源的設計

0 引言

隨著計算機技術、半導體技術以及電子應用技術的發展，嵌入式系統以其體積小、可靠性高、功耗低、軟硬件集成度高等特點廣泛應用于工業控制、過程控制、儀器儀表、航天航空、汽車船舶、網絡通信、軍事裝備、消費產品等眾多領域。在這些系統中電源的結構和性能起著關鍵性的作用，特別是需要使用220V交流電供電的多路電源的系統，其電源設計的合理性和可靠性尤為重要。過去常用的變壓器降壓、整流濾波后穩壓的線性電源，在嵌入式系統要求體積小，利用率高的情況下，顯得不足。尋求體積小、效率高、成本低、可靠性好的開關電源成為一種迫切的需要。本文根據實際應用中的體會，以小功率單片開關電源集成電路FSD200為核心，設計并實現了一款適合嵌入式系統需求的小功率開關電源。

1 系統原理

在很多工業控制領域的嵌入式系統中，輸入通常為220V的交流市電，而系統中需要多路直流電源驅動功率器件和微處理器系統。一個典型的開關電源的原理結構框圖如圖1所示，電網的中220V交流電首先經過整流電路，饋送到FSD200。

圖1 嵌入式中小功率多路開關電源的原理框圖

該器件的輸出通過變壓器隔離耦合后，穩壓輸出12V直流，其大小可以通過改變穩壓電路部分來實現。電壓輸出端由TL431精密穩壓器和線性光耦組成一個反饋回路，控制FSD200中的脈寬調制比例，實現開關電源的穩定輸出。得到12V的直流電壓后，可以通過DC/DC變換器，得到系統需要的5V、3.3V和2.7V等所需電源。

2 FSD200結構原理

FSD200是Fairchild公司近年推出的小功率單片開關電源集成電路，輸出功率7W，內部集成了PWM控制及功率MOS管，并有過熱保護、過負荷保護、欠壓鎖存、軟起動、電流限制等功能，其獨特的頻率抖動電路能較好地減弱電磁干擾。

FSD200單片開關電源的內部框圖如圖2所示。

圖2 FSD200內部功能原理框圖

FSD200單片開關電源啟動時，直流高壓電源通第8引腳Vstr進入芯片內部的高壓調節器，再穩壓到7V作為芯片的工作電壓U cc，同時以約100μA的電流源向參考電壓及欠壓鎖存模塊充電。第5引腳V c c的外接電容一般選在1 0 ~ 4 7 μ F ， 這種方式省去了通常開關電源須采用反饋線圈提供工作電壓的需要。

FSD200是電壓控制模式器件，與典型的開關電源電路一樣，采用線性光耦PC817與可調式精密穩壓器TL431組成高頻變壓器二次側的電壓反饋網絡。當負載變化引起輸出電壓變化時，反饋網絡將信號回饋至第4引腳Vfb，與振蕩器送出的鋸齒波比較，產生相應的PWM波脈寬的變化，最后使高頻變壓器二次側的輸出電壓穩定，完成反饋控制。

3 TL431結構原理

TL431是美國德州公司開發的一個有良好熱穩定性能的三端可調精密電壓基準集成電路。它有三個引出腳，其中，K為控制端，A為接地端，R為取樣端。它由多級放大電路、偏置電路、補償和保護電路組成，在原理上它是一個單端輸入、單端輸出的多級直流放大器。其等效功能框圖如圖3，由一個2.5V的精密基準電壓源、一個電壓比較器和一個輸出開關管等組成。