高压负电源的设计及应用
SLIC是一个可以构成模拟电话接口,具有摘机/挂机信号传送、铃声产生、铃流检测等功能,在传送摘机信号时需要-24V电压,而在产生铃声信号时,只需要-72V电压,对于IP电话或路由器,SLIC一般需要-48V电压,而对于xDSL线路驱动需要-5V和-15V电压,无线公用电话可能需要-24V和-48V电压,所有这些应用电源设计均可以使用MAC1856同步PWM控制器得到一个低成本的设计方案。
2 MAX1856的工作原理和特点
MAX1856内含低压差线性稳压器（LDO）,内部所有电路均由内置稳压器供电,最大输入电压可达28V,内部稳压器最小压差为200mV,只要LDO输出电压高于2.7V,内部电路就可以工作,所以MAX1856的最小输入电压为3V,LDO最大输出电流为12mA,如果外部FET的栅极驱动电流较小,则LDO也要用于其它电路供电。MAX1856内含电流模式PWM控制器,因此使用反激控制结构产生负的高压电源非常理想,其内部多输入比较器可以同时处理输出误差信号、电流检测信号以及斜率被偿信号。在PWM模式时,MAX1856使用固定开关频率,在轻负载时,MAX1856进入空闲模式以提供更高的效率。
MAX1856具有内部软启动特性,因而可以防止过流,并允许选用较小的输入电容。MAX1856的工作频率可以设置在100kHz到500kHz之间,对于低噪声应用,也可以采用外部时钟同步工作模式。
3 SLIC电源设计
图1是为SLIC设计的电源电路,它的输入电压为12V,其中一路输出-24V/400mA,另外一路为-72V/100mA,通过改变外部分压电阻可对两路输出电压进行调节。
3.1 设置工作频率和输出电压
MAX1856的工作频率由管脚FREQ对地之间的电阻ROSC来决定,ROSC一般为50MΩ/fosc,如果选择250kHz的工作频率,则ROSC=200kΩ。工作频率越高,ROSC可以越小,这样,峰值电流和电阻损耗也会越少,但同时会增大开关损耗、磁芯损耗,并将使栅极驱动电流增大。
FB管脚在输出端和REF引脚之间的分压电阻决定输出电压的大小。Vout=VREF R1/R3.对于双输出电压分别调整的情况,由于反馈电压门限为0,流入FB引脚的总电流是ITOTAL=IR1+IR2=VREF/R3。因为反馈电阻连接到REF,所以ITOTAL必须小于400μA,选择R3可使得ITOTAL位于200μA和250μA之间,一般可选R3为5.11kΩ。为了保证两个输出的精度相同,应使IR1/IR2=Pout1/Pout2,其中Pout1和Pout2分别为24V/400mA和72V/100mA。这样,可使IR1=4IR2/3。从上面的式子求得IR1和IR2后,R1和R2位于由下式求得：R1=Vout1/IR1=174kΩ,R2=Vout2/IR2=68kΩ。
3.2 选择变压器和MOSFET
变压器匝数比是输入输出电压比和占空比的函数,在占空比为50%,输入为12V,输出为-72时,需要有1：6的匝数比,在输出为-24V时,匝数比Np:Ns为1：2,所以变压器的匝数比是1：2：2：2。
整个电路的最大输出功率为最大输入功率与转换效率（E）的乘积。而转换效率（E）则是电阻损耗、变压器损耗、MOSFET导通电阻损耗、输入输出电容以及开关损耗的函数,一般可以假设R的典型值为80%。而最大输入功率是检流电阻、输入电压、输出电压、电感值、变压器匝数比（Np:Ns）和开关工作频率的函数。具体的计算公式可参考以下各式：
PIN(MAX)=VIND(Vcs/Pcs-VIND/(2FoscL)
D=NpVOUT/(NpVOUT+NsVIN)
在最大负载电流时,其IIN=VOUTIOUT(MAX)/VIN(MIN)E。式中,E是转换效率,选80%,VOUT=24V IOUT(MAX)=400mA,VIN（MIN）=10.8V,这个平均输入电流为1.11A,对于52.5%的占空比,平均开关电流就是2.114A,选择初级电感波动电流△Ilo 40%,则初级电感为：
Lp=VIND/(△ILfOSC)
其中△IL=0.4×2.114=0.846A,fOSC=250kHz,所以Lp=27μH时,初级峰值电流为2.5A。
由于受MAX1856内部LDO输出最大值（5V）的限制,外部功率开关需选择逻辑电平驱动的N沟道NOSFET,在输入电压低于5V时,可选择VGS为2.7V或更低的N沟道MOSFET。另外还需考虑其它特性指标,如：栅极电荷QG、导通电阻RDS、最大漏源电压VDS和最小门限电压VTH。对于IR公司的IRLL2705,其QG为17nC(VGS=5V),所以栅极驱动电流为：
IGATE=Qgfosc=8.5mA
式中：fosc为500kHz
3.3 选择检流电阻以及输入输出电容和二极管
电感峰值电流确定后,检流电阻由下式确定。
Rcs=Vcs/ILPEAK=85mV/ILPEAK=33mΩ
为了避免电流检测比较器受噪声干扰,RCS和CS管脚之间应连接100Ω电阻、CS引脚与GND之间应接1000pF的滤波电容。
整流二极管应选用高速、快恢复肖特基二极管,平均电流应满足以下要求：
ID=IOUT（1+VOUT Np/(Ns VIN)）+△IL Np/(2Ns)
同时关断电压要大于VOUT。
输入输出电容的串联等效电阻（ESR）应比较低。
3.4 消振电路设计
MAX1856可利用电流感应电阻来实现电流模式的控制,当开关导通时,MAX1856有100ns的浮空周期来减少噪声干扰。然后此时次级电感和输出二极管电容将形成振荡电路,并将反射回原边加到电流检测电阻上,其时间会超出100ns,从而导致噪声干扰。图1中R4和C3可以快速消振,消振电路的时间常数必须小于100ns,R4应满足50ns/C3。
4 无线终端的电源设计
图2所示是一种无线公用电话的电源电路,该电路也可以作为无线WLL终端的电源电路。若无线终端的供电电源是12V太阳能电池,则输出要求第一路为24V/200mA,另一路为-48V/100mA,第三路为5V/500mA。