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干货分享|输出可调电源的设计思路

干货分享|输出可调电源的设计思路

2022/8/18 0:00:00

一、引言

随着电器的丰富,用电场所的增加,常规的输出电压已不满足多样化使用场景的要求。特别当用电设备与供电设备距离较远时,途中导线带来的电压降无法忽略,它会降低负载的实际供电电压,影响用电质量。为了兼顾所有用电者,输出可调的电源应运而生。

二、常见方式

目前,常规的可调电源是将电压采样回路中,用阻值可调的电阻代替稳定阻值的电阻,实现输出电压可调的功能。在可调电压设置上,一般遵循“上偏范围≥下偏范围”的策略。毕竟电压高了,后端可以通过走线等方式把电压降下来。但电压低了就真的低了,巧妇难为无米之炊。

一般的电压采样电路,将电阻换成可调电阻,有以下两种方式,均可实现输出电压调整的功能。

(1)当可调电阻放低端时

可调电阻的变化影响采样电流,继而影响输出电压,参数计算设计稍复杂,且阻值较大,选型麻烦。可调电阻的变化会影响采样电流,为确保调整率性能,我们一般设置采样电流比流入TL431参考脚的电流大100倍,实现性能可控。

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(2)当可调电阻放高端时

可调电阻变化直接影响输出电压,参数设计较直观,斜率变化小。但由于高端电阻参与产品环路调整,在调整输出电压时,会让产品的环路增益和相位裕量变化。而这两者的变化是非线性的,会增加了产品的不确定性。同时,当输出端产生过电压扰动时,高端的可调电阻将承受部分应力,长期以往会降低可调电阻的可靠性,影响产品寿命。因此,我们放在高端的电阻封装一般在0805或以上,低端的电阻封装在0603或以下。

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三、电路对比

以24V输出为例,图3a为采样电路参数相近情况下,两者的变化斜率对比图。明显看出可调电阻放低端时,输出电压受阻值变化影响较大,且斜率单调变化。可调电阻放高端时,输出电压受阻值变化影响较小,斜率几乎不变。若高端的电路想实现如此宽的电压变化,需同时减小采样电路阻值,结果如图3b所示。

综上所述,由于高端设计会引起产品可靠性问题,并使环路设计难度加大,故一般设计都把可调电阻设计在低端。

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四、电路优化及优势

然而,这两种电路虽然简单,但是在可调电阻异常断路后,产品将开环,输出电压无限制上升,造成后端产品的过电压损坏。对此,需要额外增加输出过压保护限制。同时,由于机械式可调电阻受温度影响大,高低温下器件的热胀冷缩会让触点偏移,导致输出电压波动,造成电压温飘问题。若不对可调电阻加以限制,电阻阻值的温飘将影响输出电压,严重的将掉出电压精度。以上低端的R71、R71B,高端的R72为其中一种串联限制方式。

除了串联以外,并联也是一种可降低电阻阻值温飘影响的方式。但在使用低端电路控制时,一般不会将可调电阻直接并联在TL431参考脚与地两端,否则当可调电阻阻值在零附近变化时,输出电压将呈指数上升,难以控制。因此,优化后使用图4串并联的限制方式。这一电路还能确保,无论可调电阻短路还是断路,其输出电压均可以由其他电阻钳位控制,不至于产生产品开环,电压持续上升的问题。

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虽然该电路可靠性更高,但因为引入了三个未知数,需额外设定一个条件,会使计算更加复杂,可以拟制参数计算表,实现一劳永逸。在规定可调上下限后,产品输出电压总体的变化趋势如图5所示,可见图1与图4变化规律类似,均呈现斜率逐渐变化的趋势。但是图4与图1相比,前半段变化更急,后半段变化更缓。可利用此规律,将额定电压设置在可调电阻阻值后半段区域,降低可调电阻温飘的影响。

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除了降低温飘影响以外,巧妙利用该规律还可提升用户使用满意度和生产效率。对于大部分使用者来说,最常使用的还是额定电压值,如果此处斜率变化过大,就会出现使用者稍微用力调整旋钮,产品输出电压就变化很大的情况,需要使用者反复调整至所需电压值,不便于使用。而在生产上同理,若输出电压的变化比自动调压的机器还灵敏,则需要人工介入调整,否则机器将一直在循环做无用功,降低生产效率。

五、小结

可调电路虽设计简单,但通过多种变化,可满足不同的要求,实现生产效益的最大化。目前,金升阳的15-75W的LM系列、LOF225-20Bxx等产品均使用该电路方案。我们秉承着把难题留给自己,把便利留给客户的精神,不断创新,持续优化,为客户提供更优质的产品。

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王静
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