便携式VCD DC-DC变换器(20090524).doc

便携式VCD/CD DC-DC变换器原理剖析
作者:葛中海
摘要:本文讨论了低压DC-DC变换器,升、降压变换器的模型及实例电路,提出优化参数设计的方法
关键词:DC-DC变换器降压变换器升压变换器占空比
近两年来VCD向小型化,轻量化、超薄型迅猛发展,于是便携式VCD&MP3&CD三合一产品如雨后春笋应运而生,特别是珠江三角洲地区,生产此类产品的企业有几十家之多。不管它采用哪一家的方案,唯独其电源变换部分几乎一样,部分进口便携式CD机也采用此电路,所以它有相当的通用性。
大家知道所谓便携式产品,一方面可以用电池(干电池或充电电池)工作,另一方面,因为它具有外接电源接口,可以连接外部电源适配器。于是,对机器而言无论电源(电池或适配器)电压高或是低,系统都应该能正常工作,这就是为什么便携式VCD/CD必须有DC-DC变换电路的原因所在。
便携式VCD/CD内部有两套DC-DC变换电路:一套供给伺服系统的驱动部分,这部分变换的电压不要求很稳定,但要求伺服尽可能省电;另一套供给除伺服系统以外其它集成电路使用,这部分的电压有控制电路稳压,所以要求电压一定要稳定。
一、降压型DC-DC变换器
-DC变换器模型
为了便于讲解第一套的DC-DC变换电路,先介绍一下降压型DC-DC变换器的等效模型,如图(1)所示。
图(1) 降压型DC-DC变换器等效模型
开关S导通时加在电感两端的电压为,这期间电感由电压励磁、电感存储能量,磁通量增加量为:…………………(1)
开关S断开时,由于电感电流连续,二极管为导通状态。输出电压与开关导通时方向相反加到电感上,这期间电感消磁、电感释放能量,磁通量减少量为:
………………(2)
稳态时,电感磁通量增加量与减少量相等,即,联立(1)、(2)式可得:
,其中是占空比,
显然这种结构形式的DC-DC变换器输出的电压只会小于或等于输入的电压,所以称之为降压型变换器。
-DC变换器的实例
降压型DC-DC变换器实例电路如图(2)所示。降压型DC-DC变换器没有稳压控制,其中Servo-PWM是电源管理集成电路的驱动输出,它的脉冲宽度由主轴、滑动、寻迹、聚焦四组输出电压控制,哪一组输出电压高(表示负载重)就取样该组电压,与内部基准电压比较、控制输出PWM脉冲。Vcc接电池正极(外接电源适配器经1N4001也连接该网络)。
当Servo-PWM=0时S8550饱和导通,肖特基二极管D1反偏截止,电感励磁、储能;当Servo-PWM=1时VT1截止,肖特基二极管D1正偏导通,电感续流释放能量,Servo-Vcc输入到电源管理集成电路内部,供电给四组(主轴、滑动、寻迹、聚焦)H桥形驱动电路。PWM周期一般在60KHz~120KHz,大小可由电源管理集成电路的第⑨脚外接不同电容而改变,比如接330PF大约95KHz。
实际上Servo-PWM在集成电路内部上接PNP三极管集电极、下接NPN型三极管的集电极,且三极管的发射极通过一个几十欧姆的电阻到“地”,如图(3),为什么如此设计?
图(3) Servo-PWM在集成电路内部结构
因为工程设计时为了提高三极管VT1的开关效率(伺服起动时电流可达500mA),在其基极连接的电阻都比较小,一般说来约几十欧姆到一百欧姆(如图2所示R1 = 47Ω),甚至有些公司把电阻省掉、直接短路。假设集成电路内部三极管的发射极是直接到“地”,当内部NPN三极管饱和导通时,既Servo-PWM相当于接到“地”,这时经VT1发射结,再经基极电阻R1(47Ω)到“地”,因此基极电阻R1将有电流流过,且电阻越小、电流越大;若电阻短路,三极管VT1发射结相当于短路到“地”,这种恶劣情况是绝不允许出现的,因此在设计时集成电路内部三极管发射极设置了一个几十欧姆的电阻,这样才安全可靠。
二、升压型DC-DC变换器
-DC变换器模型
为了讲述升压型DC-DC变换电路,先简单介绍一下升压DC-DC变换器的等效模型,如图(4)所示。
图(4) 升压型DC-DC变换器模型
开关S导通时,输入电压加Vi在电感上,这期间电感由输入电压Vi励磁、电感存储能量,磁通量增加量为:
(3)
开关S断开时,由于电感电流连续,二极管转为导通状态。输出电压与开关导通时方向相反加到电感上,这期间电感消磁、释放能量,磁通量减少量为:
(4)
稳态时,电感中磁通量增加量与磁通量减少量相等,即,因此代入上述(3)、(3)式可得: 其中是占空比,
显然这种结构形式的DC-DC变换器输出的电压只会大于或等于输入的电压,因此它属于升压型变换器。
-DC变换器实例
升压型DC-DC变换器实例电路如图(5)所示。既可以是电池