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两线制变送器微功率隔离电源设计

来源:    作者:    发布时间:2015-05-27 07:56:08    浏览量:

LM317L基准温度特性曲线图

图3 LM317L基准温度特性曲线图

如图3所示,LM317L的基准压差与温度关系曲线近似于简单的三次多项式函数关系形式,只需要设计Y轴反向的补偿函数即可,系统以20℃为补偿基点进行校准,具体补偿公式为ΔI=A(t-20)2+B(t-20)3式中t为环境温度。

系数A和B可以依据实际采用的LM317L芯片手册提供的基准电压温度曲线导出,最简单的做法就是取-20℃和60℃2个点,获取2个二元一次方程来求解A和B.

这样就能很容易获取一个拟合程度比较好的补偿曲线近似函数,补偿后的温度漂移影响基本可以忽略不计。112 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 Ii η)/Vo

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的输入电差模电感压设定为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,这样能够片式电感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,才能够获得电感生产厂家满意的效果。

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一体电感器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。

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