設計一款75瓦單輸出臺式電源

優質臺式電源是所有電子或科學實驗室的必備設備，因為如果電源不能正常供電，則敏感電路可能會出現意外故障。現在市面上的大多數電源需要以高成本、尺寸和散熱性能為代價，才能提供具有競爭力的規格。

圖 1 所示的電路是 75 W 單通道臺式電源，具有 0 V 至 27.5 V的可調寬輸出電壓范圍和限流/恒流操作（高達 3 A）。 （下文簡稱 該電路為CN-0508）

圖 1. CN-0508 方框圖

借助樹莓派?兼容擴展頭，可通過本地觸摸屏或者無線或有線網絡連接實現電子控制。輸出電壓可手動控制或通過軟件控制，通過手動限流控制可進行從恒壓操作向恒流操作轉換設置。

臺式電源具有混合降壓/線性架構，提供低輸出紋波和低輸出電容、出色的瞬態響應、0 V 和 0 A 調節，并且無需散熱器亦可實現低功耗。這款完整的解決方案成本低，外形緊湊，易于配置，可獨立操作或與其他設備集成。

電路描述

CN-0508提供性能堪比高性能商用電源的低成本、可調節電源解決方案。

其設計采用由一個降壓轉換器預調節器和兩個并聯線性穩壓器組成的混合電路拓撲。該拓撲兼具降壓轉換器的高電源效率以及線性穩壓器的低輸出噪聲、低紋波和可調限流特性。

除電路板本身之外，無需散熱器。相比之下，線性臺式電源的通流器件（分立晶體管或集成電路調節器）則需要外部散熱器來進行充分地散熱。

電源核心

LT8612降壓轉換器

CN-0508設計的第一級是 LT8612 同步降壓轉換器。降壓轉換器或降壓型開關模式電源可有效地降低直流電壓。相對于具有類似電流能力的線性穩壓器，降壓轉換器還能夠以小型封裝提供低功耗和高功率密度。

系統的直流輸入先由 32 μF 總電容濾波和旁路，再進入降壓轉換器的輸入端。LT8612 能夠將 30 V 標稱輸入電壓降至比電源輸出電壓約高 1.7 V 的電壓，略高于 LT3081 的 1.5 V最高壓差。將 LT3081 穩壓器上的壓降保持在剛好高于壓差的水平，可充分降低功耗，并消除對額外散熱器的需求。

圖2顯示復合穩壓器的效率和功耗，表明最壞情況下的總功耗為7 W，電路板在露天環境下時允許自由對流冷卻，而放在外殼中時只需要一個小風扇。

圖 2. 36 V 輸入和各種輸出條件下的直流臺式電源的效率和功耗

通常，降壓轉換器基于反饋分頻器調節輸出電壓，因此：

對于LT8612，VFB 為 970 mV。CN-0508 的反饋路徑經過修改，可將降壓級輸出調節為高于下一級輸出 1.7 V，如圖 3所示。

圖 3. 預調節器反饋

進行調節時，194 μA電流必須流經R6，使FB引腳的電壓為 970 mV。然后通過VPRE向Q1的基極施加0.85 V (194 μA × 1 kΩ + VBE) 電壓，需要 VPRE 高于 VOUT× 0.85 V，使得R8 和R9上的電壓為0.85 V。

LT3081線性穩壓器

降壓級后面是兩個LT3081線性穩壓器。不管負載電流或輸入電壓如何變化，線性穩壓器都可通過降低調整管上的過電壓提供恒定直流輸出電壓。線性穩壓器通常用在降壓轉換器的輸出端，以很小的效率損失抑制開關電源紋波。如果輸出電壓接近輸入電壓，但不低于保持穩壓所需的電壓（壓差），則這些器件可提供高效率。

LT3081 的特性包括短路保護、反向輸入保護以及熱關斷和遲滯與安全工作區(SOA)保護。LT3081 的 SOA 范圍得到擴展，允許用于惡劣的工業和汽車環境，在這些環境中，輸入電壓的意外大尖峰會導致高功耗。

LT3081還包括可調限流/恒流功能，允許圖1中的電路在恒壓或恒流模式中運行。內部電流檢測放大器測量輸出電流，并從IMON引腳輸出ILOAD/5000 電流（如圖5所示），該電流則通過電阻1 kΩ轉換為200 mV/A信號。同樣，內部溫度傳感器測量裸片溫度，并輸出1 μA/°C電流，該電流再次通過1 kΩ電阻轉換為1 mV/°C電壓輸出。

此外，LT3081還可輕松并聯以獲得更高的輸出電流，如圖4所示。兩個LT3081之間的所有相應引腳都連接在一起，但OUT引腳除外，該引腳需要10 mΩ鎮流電阻來實現精確的均流，并將對輸出電壓精度的影響降至最低。

圖 4. LT3081 器件并聯

樹莓派平臺功率

LT8609 同步降壓穩壓器直接由輸入插孔供電。它在高達3 A 電流下向樹莓派平臺板、LTC1983-5 電荷泵反相器和風扇控制電路提供 5 V 電壓。輸出電流也足以驅動大多數樹莓派兼容觸摸屏和其他外設，無需其他電源。

控制和診斷

輸出限流控制

EVAL-CN0508-RPIZ的0 A至3 A限流值由輸出和LT3081ILIM引腳之間連接的電位計設置。LT3081的限流功能配置為可在0至3 A標稱范圍內調節。雖然限流值不是電子可編程的，但使用了雙聯電位計，從而允許在軟件中回讀限流值設置點。

輸出電壓控制

電源的輸出電壓通過 LT3081 的 SET 引腳調節。在圖 5 中，SET 引腳是誤差放大器的同相輸入，用于設置器件的工作偏壓點。連接到 SET 引腳的電壓成為 LT3081 上的誤差放大器和輸出電壓的基準點。

圖 5. LT3081 功能框圖

LT3081通過SET引腳提供50 μA精確基準電流，在SET引腳與地之間連接固定或可調電阻，即可根據基準電流設置輸出電壓。但是，也可直接由電壓源驅動SET引腳，這樣LT3081就成為高精度單位增益功率級。

EVAL-CN0508-RPIZ 的 0 V 至 27.5 V 可調輸出電壓可使用 5kΩ 電位計手動設置，或使用 AD5683R數模轉換器(DAC)通過圖 6 所示的精密模擬 AND 電路以數字方式設置。

圖 6. 模擬 AND 函數

DAC的2.5 V滿量程輸出電壓和電位計的游標連接到兩個 LT6015 運算放大器的輸入端，每個放大器的同相增益均為 11。如果 VDAC > VPOT，A2輸出端的二極管將反向偏置，而A1輸出端的二極管導通， VSET 為 VPOT × 11。

如果VPOT > VDAC，則相反。此模擬AND電路將輸出電壓降至DAC和電位計之間的較低輸出電壓。采用該配置，可通過手動控制提供電子控制模式中的過壓故障保護。同樣，ADI公司提供的軟件也能夠在手動控制模式中禁用或實現電壓輸出時序控制。

請注意，許多運算放大器不容許其輸入之間有很大的電壓差。此電路利用 LT6015 的獨特功能，在不造成損壞或沒有大量輸入電流流過的情況下，容許其輸入之間存在較大的壓差。

LT3092 電流源設置2 mA電流來驅動模擬AND電路的輸出，從而確保D1或D2正向偏置以保持反饋。

LT6015可直接驅動高達200 pF電容；添加一個由0.22 μF電容與150 Ω電阻串聯組成的緩沖器網絡，運算放大器就能夠在LT3081 SET引腳驅動0.02 μF濾波電容。

0 V調節和0 A限制

只要輸出提供5 mA的最小負載電流，LT3081就可保證0 V的最小輸出電壓。具有較小負順從電壓的8 mA電流吸收器使用NPN晶體管和LTC1983-5電荷泵調節器來實現。此外，此負電源也用作LT6015運算放大器電路的電源，從而允許接地操作。

只要ILIM電阻降至200 Ω以下，LT3081就可保證此電源的最小限流值為0 A。將一個100 Ω的小電阻與ILIM電位計串聯，可盡可能擴大調整范圍，并且在并聯使用兩個調節器時仍可保證零電流。

系統診斷

AD7124-4 24 位、Σ-Δ 型模數轉換器(ADC)提供輸出電壓和輸出電流以及多個診斷參數的測量值。測得的參數見表 1。

表 1. 測得的參數

正常工作模式使用的主要測量值為輸出電壓和輸出電流，二者均由 ADC 測量。

限流設置點從限流電位計的位置推斷得出，并使用雙聯器件中的第二個電位計測量。此配置允許軟件顯示限流設置點，并在測得的輸出電流接近此設置點時提供警告標記。

與限流設置點類似，電壓設置點也從雙聯器件中第二個電位計的位置推斷得出。ADI 軟件可使用此信息，在輸出電壓太低（表示過載）或太高（表示負載將反向電流驅動到電源）時提供警告標記。

另外還測量兩個 LT3081 器件的溫度監視器引腳。盡管LT3081 器件中的功耗一直較低，但在高電流和氣流受限的情況下工作仍可能會導致溫度過高。

其他測量值用于診斷目的，軟件可使用這些值指示故障情況。例如，如果輸入電壓降至 28 V 以下，或 LDO 預調節電壓降至 1.6 V 以下、輸出以上，則軟件會發出警告；其中任一種情況都可能表示輸入電源或 CN-0508 本身出現故障。

風扇控制電路

CN-0508 包括一個開關 5 V、<1 A 風扇的自動風扇控制電路。ADCMP392 將兩個 LT3081 溫度信號與 60 mV 基準電壓進行比較。比較器的輸出可以通過“線與”方式連在一起，如果其中一個 LT3081 達到 60°C，則將使能 5 V 輸出。

圖 7. 風扇控制電路

系統性能

負載調整率

理想情況下，無論負載如何，電源的輸出電壓都應保持恒定。圖 8 顯示，當負載電流從零增加到 2.5 A 時，CN-0508的負載調整幅度在 20 mV 內，相應的輸出電阻約為 8.8 mΩ。

圖 8. VOUT與 IOUT（負載調整）

恒壓/恒流轉換

圖9顯示輸出短路時CN-0508從恒壓模式轉變為恒流模式。初始輸出電壓為 25 V，負載電阻為 25 Ω。然后輸出短路，當很小的 60 μF 輸出電容放電時，電流在不到 200 μs 內完 全降為零。此輸出電容比大多數商用電源的輸出電容小幾個數量級，因此出現短路故障時必須消耗的存儲能量較少。當 LT3081 的電流調節環路在 2.5 ms 后進入調節狀態時，輸出電流上升到 2.75 A 限流設置點。

圖 9. 1 A 至 2.75 A 限流值

負載階躍瞬變

圖 10 顯示 CN-0508 對 1 A 至 2 A 負載階躍的瞬態響應。

圖 10. 1 A 至 3 A 瞬態響應、 30 V _IN 、24 V _OUT

輸出最初設置為25 V，負載為25 Ω，第二個25 Ω電阻瞬時接通。

散熱性能

圖 11 顯示 CN-0508 的溫升，在恒流模式下向 4 Ω 負載提供2.75 A 電壓，電路板水平放置在工作臺上方 2.5 cm 處，環境條件為 30°C 靜止空氣。即使在這種散熱較差的環境中，其中一個 LT3081 的最高溫度也只有 92°C，遠遠低于 125°C的工作溫度上限。將一個 40 mm、風速為每分鐘 0.2 立方米(m3/min)的風扇轉向電路板（如在外殼中）可將最高溫度降低到 70°C。

圖 11. EVAL-CN0508-RPIZ 在 30 V 輸入、向 4 Ω 負載提供 2.75 A 限流輸出時的熱圖像

常見變化

LT3081可以并聯，根據應用需要可以將輸出電流能力提高到3 A以上。

通過將并聯LT3081和獨立LT8612分組，并為每個組提供預調節反饋電路，可產生額外的電壓和電流輸出。

電路評估與測試

EVAL-CN0508-RPIZ 使用Raspberry Pi Zero測試。有關完整設置詳情和其他重要信息，請訪問 CN0508 用戶指南。

設備要求

• EVAL-CN0508-RPIZ 評估板

• Globtek TR9CR3000T00-IM(R6B) 電源適配器

• Raspberry Pi zero W

• HDMI? 顯示器

• HDMI 電纜

• 具有ADI公司KuiperLinux圖像的8 GB或更大的SD卡

• 各種功率電阻、電子負載或具有已知功耗的測試電路

• 萬用表

• 4 Ω、 50 W電阻

開始使用

按照CN0508 用戶指南用戶指南中的說明，在樹莓派SD卡上加載CN-0508圖像。

功能框圖

圖 12 所示為測試設置的功能框圖。

圖 12. 測試設置功能框圖

設置和測試

1. 在CN-0508 40引腳連接器的反面安裝Raspberry Pi Zero W。

2. 確保配置ADI Kuiper Linux SD卡以使用CN-0508設備樹覆蓋。

3. 將SD卡插入Raspberry Pi Zero W。

1. 連接鍵盤和顯示器。

2. 接通輸入電源。

4. 啟動時，IIO示波器自動運行，并顯示CN-0508插件控制面板，如圖13所示。

5. 將萬用表連接到CN-0508的輸出端子。

6. 將恒流控制電位計設置為最大值（完全順時針），將電壓控制設置為零（完全逆時針）。

7. 將DAC設置為所需輸出電壓，注意輸出保持為零。

1. 順時針旋轉電壓控制電位計，觀察輸出增加直至到達DAC設置點。

8. 在輸出端連接一個4 Ω、50 W電阻。

9. 將輸出電壓設置為8 V（輸出電流應顯示為2 A）。

10. 降低限流控制直至輸出電流顯示為1 A，表示電路已進入恒流模式。進一步降低負載電阻，或使輸出完全短路，對輸出電流都沒有影響。

圖 13. IIO 示波器插件接口