1、 數字運算電源電路設計.眾所皆知，電源電路設計，乃是在整體電路設計中最基礎的必備功夫，因此，在接下來的文章中，將會針對實體電源電路設計的案例做基本的探討。 電源device電路輸出電壓可變的基準電源電路（特征：使用專用ic基準電源電路）圖1是分流基準（shunt regulator）ic構成的基準電源電路，本電路可以利用外置電阻 與 的設定，使輸出電壓在 范圍內變化，輸出電壓 可利用下式求得： -（1） ： 內部的基準電壓 。圖中的tl431是ti的編號，nec的編號是pc1093，新日本無線電的編號是njm2380，日立的編號是ha17431，東芝的編號是ta76431。 輸出電壓可變的高精

2、度基準電源電路（特征：高精度、電壓可變）類似ref-02c屬于高精度、輸出電壓不可變的基準電源ic，因此設計上必需追加圖2的op增幅ic，利用該ic的gain使輸出電壓變成可變，它的電壓變化范圍為 ，輸出電流為 。利用單電源制作正負電壓同時站立的電源電路（特征：正負電壓同時站立）雖然電池device的電源單元，通常是由電池構成單電源電路，不過某些情況要求電源電路具備負電源電壓。圖3的電源電路可輸出由單電源送出的穩定化正、負電源，一般這類型的電源電路是以正電壓當作基準再產生負電壓，因此負電壓的站立較緩慢，不過圖3的電源電路正、負電壓卻可以同時站立，圖中的tps60403 ic可使 的電壓極性反轉

3、。 40v最大輸出電壓的serial regulator（特征：可以輸出三端子regulator ic無法提供的高電壓）雖然三端子regulator ic的輸出電壓大約是24v，不過若超過該電壓時電路設計上必需與ic以disk lead等組件整合。圖5的serial regulator最大可以輸出+40v 的電壓，圖中 d2 zener二極管的輸出電壓被設定成一半左右，再用r7 vr1 r8 將輸出電壓分壓，使該電壓能與vz2 的電壓一致藉此才能決定定數。必需注意的是r7 r8 若太大的話，會引發輸出電壓噪聲上升與波動等問題；反r7 r8之若太小的話，會有發熱耗損電力之虞，因此一般以r7 r8

4、 2-5k 比較合適。輸出電壓為 40-80的serial regulator（特征：利用disk lead組件輸出高電壓）圖6是可以輸出電壓為40-80 的serial regulator，由于本電路的輸出電壓非常高，因此無法使用op增幅ic。圖中的vceo是利用 120v的2sc2240-gr構成誤差增幅器。此外本電路還追加tr5 與cascode增幅器，藉此改善誤差增幅器的頻率特性。2sk373-y是 vds=100v的fet，它可以構成高耐壓的定電流電源。除了fet之外還可以使用最大使用電壓為100v ，定格電力為300mw ，石冢電子的定電流二極管e-202。 輸出電壓為 150v的

5、高電壓serial regulator（特征：設有輸出短路保護電路） 如圖7所示本serial regulator的base的共通增幅電路與op增幅器輸出端連接，因此可以輸出高電壓。如果輸出發生短路的話，tr3 的保護電路就會動作，tr3將流入120ma 限制在 范圍內，此時輸入電壓會施加至 tr2的drain與source之間，所以會有20w 左右的損失。輸出電壓為400v 的高電壓serial regulator（特征：設有輸出短路保護電路） 如圖8所示誤差增幅器的基準電位與輸出電位連接，形成浮動增幅型serial regulator。雖然電源變壓器（transistor）必需使用誤差增幅

6、器專用的繞線，不過誤差增幅器是由op增幅器構成，因此非常適用于高電壓regulator。此外為避免輸出短路時的大電力損失，因此保護電路具備倒v型特性。 t0-220封裝的非絕緣型step down converter（特征：無封裝面積變大之虞，可將線性電源變成switching電源）三端子regulator的損失若超過3w 時，冷卻片的面積會變得非常大，因此必需改用非線性而且效率極高較不易發熱的switching type dc-dc converter，不過實際上由于dc-dc converter使用的組件數量非常多，因此有可能造成封裝面積過大等問題。如圖9所示若使用與三端子regulato

7、r同級的t0-220封裝控制ic，就能獲得輸入電壓為8-24v ，輸出 5v，電流為3.5a 的step down converter。這種converter最大特征是結構簡單動作穩定，而且使用組件的數量非常少，因此不需刻意變更印刷電路板的pattern，或是擔心封裝面積變大等困擾，雖然價格稍為偏高不過serial regulator幾乎網羅所有的規格。本電路是由外置的二極管（diode）、電容、線圈，以及設定電壓的電阻所構成，只有電容比較特殊必需使用switching電源專用低阻抗（impedance）type。pq1cg系列的產品幾乎函蓋擁所有電壓、電流規格，從2.5v 低輸出電壓到5a以

8、下機型一應具全而且都已經商品化。表1是t0-220封裝非絕緣型step down converter ic的規格一覽，表中的pq1cg3032fz第五根腳兼具soft start與on/off功能，因此使用上非常方便。 ：vodj輸出電壓調整端子；feedback： 輸出歸返（return）端子vc； ：位相補償用端子on/off：standby端子； ：輸入端子vin； ：輸出端子vout；ns：國 家半導體。表1 t0-220封裝的dc-dc converter控制ic的規格 尋址step down converter（特征：ic容易取得價格低廉）圖10使用歷史相當長久的step down

9、 converter控制ic，它的輸入電壓為8-16v ，輸出電壓為 5v 600ma。本converter最大特點是價格低廉容易取得。圖中的mc34063（on semiconductor co）動作頻率被設為45khz ，因此線圈與電容器的外形可能會變大，不過只要印刷pattern設計得宜的話，上述問題對動作上尚不致構成困擾。必須注意的是類似新日本無線的njm2360與njm2374a，雖然是特性相同的ic，不過結構上卻不相同，只有國家半導體的lm2574n-adj與sunken的sai01是尋址step down converter用ic。 on board電源用step down co

10、nverter（特征：封裝面積小，操作簡易的dc-dc converter）圖11是利用尋址控制ic構成封裝面積很小的step down converter，它的輸入電壓為6-16v ，輸出電壓為 5v 450ma。圖中的max738 ic為8pin的dip封裝，輸入端的積層陶瓷電容c2 必需貼近ic的lead否則無法順利動作。本ic的動作頻率為160-170khz 左右，因此周邊的被動組件可以使用lead type。電容的等價串聯阻抗必需使用低于0.5歐 的type；線圈的inductance為100uh 或是 33uh效率95%的超小型step down converter（特征：由5*5

11、mm 的控制ic構成）如圖12所示超小型step down converter，是由外型尺寸為5*5mm 的ic與數個外置組件構成，本電 路內建兩個power mosfet屬于同步整流type，它可以利用fbsel端子的設定，使輸出電壓vout 作1.5 1.8 2.5v 三種切換。 可輸出5-10v 低噪訊dc-dc converter（特征：適用于電池device等模擬電路電源）電池device的單電源，經常被要求必需能夠提供op增幅器的數個模擬電路正、電源，由于電流值相當低因此使用的組件數量相對很少。13是輸入電壓為5v ，輸出電壓為10v 的dc-dc converter，圖中的max

12、865是8 pin的max封裝內建cmos charge pump的控制ic，它只要四個外置電容就可以 1.5-6v輸入電源，制作兩倍的正負電壓，由于本電路未使用線圈，所以峰值電位（spike）的噪訊（noise）非常低。charge pump的電容c1 c2 必需使用低等價串聯阻抗，耐壓超過16v 以上的電容組件，因為加大容量時可以降低波動（ripple）電壓提高效率。根據規格書（datasheet）的記載max865內部的輸出阻抗，分別是正電壓端為90歐 ，負輸出為160歐 （輸入為5v 時）。若流入5ma的負載電流時，正電壓端會產生0.45v 的電壓下降，負電壓端則產生0.8v 的電壓下

13、降，要求無電壓變動的電路可以采用max865并聯連接，或是改用max743 type。此外v- 電路的負載電流較大時，基于保護電路等考慮，可以將shot key barrier二極管連接于v- 端子與gnd 端子（第4 pin）之間。 。可輸出+5- -5v 的dc-dc converter（特征：可輔助正電源系統得負電源需求）小型量測設備經常會有負電源需求，如果不需大電流容量時，可以使用charge pump的極性反轉converter。 圖14的dc-dc converter可以使5v 的極性反轉，同時輸入 5v 50ma的電力，圖中的max860是8 pin表面封裝type控制ic；表2

14、是表面封裝type控制ic的規格一覽。上述converter的動作頻率可設定成6k 50k 130k 三種形式，無小型化要求時可將 vc端子與輸出端連接設定成130k ，同時使用低容量的小型電容。圖14的設定值為50khz ，輸入電壓范圍為1.5-5v ，輸出阻抗為 12，最大負載電流為 50。如果希望利用負載降低電壓時，可將max860并聯連接 。 表2 極性反轉型step down converter控制ic的規格可使電池電壓上升的step up converter（特征：電池能量100%發揮）使用二次電池驅動的可攜式電子產品，要求即使電池電壓下降亦能長時間動作，因此出現可將5v 的電池電

15、壓step up，輸出200ma 的converter（圖15）。如表3所示具備上述功能的ic種類非常多，由于這類ic大多具有shut down端子（pin），因此可用logic level控制輸出的on/off。此外 即使shut down輸出與輸入也不會連通線圈，使得輸入電壓（電池電壓）直接被輸出。要求大電流的場合（case）建議改用流入線圈的峰值電流極小，而且又是固定頻率的pwm type max1700 ic。 表3 step up converter控制ic的規格 高電壓step down converter（特征：無變壓器可使100-400v 直流電壓轉換成15v ）如圖16所示本

16、step down converter可將100v 以上高電壓轉換成 15v，由于本電路未使用變壓器就可以獲得低電壓，因此使用上非常方便。設計規格如下所示：dc輸入：100-400v 。dc輸出：15v 200ma 。由于控制端子的電壓高達5.7v ，所以輸出電壓無法低于5.7v ，輸出電壓vout 可以從zenervz v二極管的電壓 求得： vout=vz+5.7圖中的mip0222sy與power mosfet同樣是三端子控制ic，內建有switching電源必需具備的所有功能，因此只需利用該ic就可以用簡易的電路，形成高電壓用step down converter，值得一提的是與 同等

17、級的產品有power integration公司開發的top222y； 以外的同等級組件基本上可以從其它公司的產品型錄中尋得。為了抑制線圈l1波動（ripple）電流，因此線圈必需大于必需1mh ，在l1 流動的最大電流值則是根據ic1 的最大電流規格設定成500ma 。當ic1 為on時輸入電壓會流入d1 d2 ，因此必需選用耐壓超過 400v的組件，此處考慮延遲（delaying）時間所以選用耐壓600v 的type，若是要抑制switching損失的話，就必需使用高速、高效率、低損失的的二極管。如上所述由于輸入電壓非常高，所以波動電流也很高，此處為降低輸出波動電壓，所以輸出電容必需盡量挑

18、選低等價串聯阻抗的type。 memory backup電源電路（特征：即使系統電源off時，電源持續提供電力至內存）如果pc使用簡易系統的話，一旦電源off時的內存電力也會一并被切斷，造成儲存于內存（memory）內部的數據面臨全毀的厄運。圖17是電源off時仍舊可以維持sram電力的電路，當電源on時鎳氫二次電池進行充電動作，電源off時二次電池便自動釋放電力。由于sram動作時的電源電壓超過4.5v 以上無法將tr1 變更成二極管，所以利用vdrop 很小的pnp晶體管（transistor）構成switch。當電源off時sram的ce2 會變成l level成為待機狀態。 world

19、 wide輸入，三頻輸出簡易型switching電源（特征：利用內建power mosfet的單芯片控制ic獲switching電源）圖18是數字、模擬混載系統用輸入world wide/三頻輸出，絕緣型switching電源電路，它適用于10-45w 的device。本電源電路主要規格如下：ac輸入： 85-264vdc輸出1： 15v 1.5adc輸出2： -15v 200madc輸出3： 5v 3a圖中的mip0224sy控制ic內建有switching電源必需具備的所有功能，此外本ic采用與power mosfet相同的三端子（pin）封裝，動作上則屬于一般電壓模式（mode）fly

20、back converter，因此內建于輸出段的power mosfet drain耐壓高達700v。使用mip0224sy時只需注意耐壓問題，就可以輕易獲得制作上非常繁瑣的絕緣型switching電路。變壓器的設計是最棘手的一環，建議讀者利用power integration公司的網頁，下載設計用excel sheet就可以輕易設計變壓器。必需注意的是絕緣距離，尤其是適用的安全規范會隨著用途有很大的差異，圖18的電路是根據iec60905規范設計。此外與市面上有許多與ic1 同等級的控制ic，例如power integration公司的top224y就是典型代表，若使用top224y的話就可

21、以制作180w 的fly back converter。 圖18 world wide輸入的switching電源(輸入85 246v: ,dc輸出1 15v 1.5a: ，dc輸出2:-15v 200ma ，dc輸出3:5v 3a )輸出 5v 1.5a的step down converter（特征：利用免費web tool輕松設計周邊組件）圖19是利用monolithic switching regulator ic lm2576t-5.0，制作可輸出5v 1.5a 的step down converter，該converter非常適用于利用24v 電源驅動 5v cpu主板等領域。有關l

22、1 c2 、 的最適值以及d1 的峰值電流，建議讀者利用national semiconductor公司的網頁，下載webench design program的免費tool就可以輕易計算。該網頁除了組件定數之外同時還會教導有關ic與二極管的具體名稱，以及溫度與動作的仿真分析與pattern的設計。必須注意的是l1 若不選擇特洛伊酒桶型core無間隙type，或是類似pot core兼具磁氣shield功能的組件時，強大的磁氣噪訊（noise）可能會四處擴散；此外圖中的c2 主要工作是頻繁的充放電，因此必 須使用低esr、抗ripple的電容。 輸入world wide，輸出100w的改良型電

23、路（特征：ac輸入電流的高頻波電流低于規范值）圖20是world wide輸入的改良型電路，該電路主要功能是將 輸出的絕緣型converter整流電路，置換并符合高頻波規范值。本電路的設計規格如下：ac輸入：85 -264v dc輸出： 390v 300ma本電路屬于電流間斷型，因此非常適合應用于200w 以下低輸出電源等領域。由于電感（inductance）lb 的電流間斷流動，因此轉流二極管的逆回復損失的影響很小，其結果連帶造成switching損失與輻射噪訊也隨著降低。此外最大電流是輸入電流峰值的二倍以上，所以成為選擇lb與power mosfet tr1 時的主要考慮因素。lb 在b-

24、h curve呈巨大的minor loop，因此必需使用低鐵損的ferrite core，此外core要求很大間隙（gap），從該部位散發的磁束動亂，會造成卷線渦卷電流損失變大，所以必需使用編織線（litz wire）加以隔絕。本電路的動作為電流模式（mode），所以內建有過電流保護單元，問題是過電壓保護，尤其是與第一pin連接的輸出電壓分壓電阻，一旦open或是短路的話，輸出會立刻變成高電壓，而電容則遭到破壞，因此過電壓保護單元使用ta76431s ic。雖然同等級的fa5500/fa5501（富士電機）具備完整的過電壓保護對策，不過由于檢測level太高，反而造成必需使用耐壓超過450v

25、的平整電容的后果。事實上并無與上漲 ic1功能完全的同等級產品，而功能性的代替品同時也是業界標準品，分別有mc33261、fan7527b、l6561、njm2375等等可供選擇。 鋰離子二次電池的充電電路（特征：以usb界面為電源）如果usb接口具備5v 500ma 的話，就能當作便利的電源使用，反之若超過500ma時，usb內部的breaker就會開始動作。圖21是利用ti的bq24010 ic，串聯構成鋰離子二次電池的充電電路，該電路是以usb接口當作電源，因此系統一旦起動后電池的電壓若低于4v 時，就會開始自動充電。最大充電電流i 可以利用rest 設定，為符合usb的規格，因此 rs

26、et被設定成1.68k ， i則被設定成 498ma。最大充電保留溫度與最低充電保留溫度，則分別利用電阻 rt1與 rt2設定成 60度與0度 。圖22是上述充電電路與usb接口連接時，鋰離子二次電池實際充電的特性。 兩鎳氫電池串聯的充電電路（特征：以usb界面為電源）圖23是以usb為電源的兩cell鎳氫電池串聯的充電電路，充電時電壓若低于2.5v 時，會被視為滿溢充電進而停止充電。timer會以最大充電時間160分動作，當電池達60度 時就會停止充電。快速充電結束后會以c/32進行160分的補充電，接著再以c/64無期限持續進行pulse trickle充電。充電器利用 -或是 檢測出滿溢充電時，每單位電池cell的充電電壓會變成1.6v左右，由于主電源為5v因此本電路若