基于自激振蕩器電路設(shè)計(jì)的反激式開關(guān)電源 將1.1V升壓至6V～24V

本文講述了一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例，用1.5V電池驅(qū)動(dòng)小功率電路的設(shè)計(jì)。此次設(shè)計(jì)是基于自激振蕩器，這款自激振蕩器能夠驅(qū)動(dòng)反激式變壓器生成更高的可控電壓。本次設(shè)計(jì)的反激式開關(guān)電源可在1.1V電壓下工作并點(diǎn)亮HBLED燈，讓我們一起去探索它的神奇之處。

該電源電路經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、仿真并最終構(gòu)建出來(lái)。它能夠以小于50mW的功耗，甚至在電壓降至1.1V的條件下可靠運(yùn)行。經(jīng)測(cè)試，對(duì)于給定的電路值，通過(guò)調(diào)整單個(gè)電阻器的值所產(chǎn)生的穩(wěn)壓輸出在6V～24V之間。輸出功率足以驅(qū)動(dòng)低功耗模式(15μA@32kHz)下的PIC微控制器。在沒有任何修改的情況下，該電路還可作為一個(gè)閃光燈，以0.1Hz～20Hz的速率點(diǎn)亮一串LED燈或一個(gè)LED電源指示燈。雖然對(duì)于其他“簡(jiǎn)單”任務(wù)來(lái)說(shuō)，這種設(shè)計(jì)可能看起來(lái)電路過(guò)多，但考慮到具有電源電壓低以及輸出可調(diào)節(jié)或閃爍受控的優(yōu)勢(shì)，該設(shè)計(jì)仍有價(jià)值。

為了用該電路在圖1所示+Vregout處獲得穩(wěn)壓輸出，例如下文提到的20.7V，應(yīng)將電阻器R2和R3分別設(shè)置為680Ω和100kΩ。R11兩端的電壓通過(guò)R5/R11分壓器設(shè)置為140mV左右。由Q1構(gòu)成的振蕩器在施加電源的情況下持續(xù)運(yùn)行，并將能量由L2磁耦合至L3。一旦C1兩端的電壓上升至超過(guò)2V，則比較器U1將得到有效供電。一開始，R2兩端的電壓會(huì)隨著電容器的充電而逐漸升高，直至其超過(guò)R11兩端的電壓。在該連接方式下，集電極開路的比較器U1會(huì)不斷將該電壓與140mV進(jìn)行比較。由Q2/Q3組成的晶閘管未上電，且未被U1的輸出電壓觸發(fā)。電容器持續(xù)順暢充電。因此，基于R2與R3的組合值，U1輸出電壓將在以下情形升高：

T1可使用不同形狀和尺寸的磁芯。為重現(xiàn)上述結(jié)果，建議采用電感因數(shù)約為80nH且相對(duì)磁導(dǎo)率(μ)約為80的磁芯。EPCOS公司訂單編號(hào)為B66361G0100X1的ETD磁芯、Ferroxcube公司的環(huán)形磁芯TN33/20/11-2P80或類似產(chǎn)品都非常適用。

對(duì)于圖1中的元件值(除R2= 680Ω和R3=100kΩ外)，當(dāng)VC1=20.7V時(shí)，晶閘管將被觸發(fā)。輸出濾波器由L4和C3構(gòu)成。C1在電路中擔(dān)任兩種角色：第一，作為電荷存儲(chǔ)“桶”；第二，與R10一起提供一定的環(huán)路穩(wěn)定性。電阻器R4用于上拉U1的開路集電極，而D3用于防止U1的輸出偏置受到擾亂。

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圖1：1.5V逆變器的電路圖。電感器L1和L2(10匝，22AWG)及L3(130匝，32AWG)纏繞在一個(gè)Fair-Rite公司器件編號(hào)為5961001801的磁芯上。
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要將電路用作一個(gè)三LED閃光燈/頻閃燈，R10應(yīng)為100Ω。對(duì)于圖中所示的元件值，當(dāng)VC1=6.33V時(shí)，晶閘管被觸發(fā)。一旦晶閘管被觸發(fā)，Q4基極將會(huì)被施加約為2V的脈沖，使之完全開啟。這將產(chǎn)生較大的Q4集電極電流，導(dǎo)致C1快速放電。如果該集電極電流產(chǎn)生并流過(guò)一串LED或單個(gè)LED電源指示燈，LED將會(huì)逐漸變亮，直至Q4基極的驅(qū)動(dòng)電壓較大時(shí)出現(xiàn)明亮閃光。放電也會(huì)關(guān)閉U1(即其電源電壓降至2V以下)。因此，在C1恢復(fù)充電過(guò)程前，VR2會(huì)降至約43mV的最低值，然后重復(fù)上述過(guò)程。LED閃爍時(shí)，需要加上一個(gè)限流電阻(R10)，否則LED會(huì)損壞。仿真顯示，在50%處所測(cè)得的峰值電流脈沖為3.3A，持續(xù)時(shí)間為50μs。閃爍率可以通過(guò)改變R2或R11進(jìn)行調(diào)整(圖2)。

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圖2：LTspice仿真得到的LED閃光燈/頻閃燈中的時(shí)序波形。R10中的電流是在假定LED電源指示燈D4未連接的情況下測(cè)得的。