从USB获得高效的双轨电源 笔记本电脑, 计算机, 控制器, 放大器, 电源

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关键字：USB   双轨电源  
设计5V以外电源的小功率USB电路时，您必须确定是使用独立电池，还是使用来自主机的小型电源。如果电路需要大于5V的双轨电源(如采用了基于运放的仪表放大器)，或必须用于便携计算机如笔记本电脑上，则问题就更复杂了。
USB2.0标准规定了对连接设备的功率要求，即耗电最大100mA，视为小功率；耗电最大500mA，则视为大功率。本文所述电路原用于一个热致发光(TL)仪器设计，设计中的微控制器、USB接口控制器，以及10个运放均作为小功率器件，从一个USB端口获得全部电源。

设备的运行需要有高性能、低噪声拾取，使系统射频辐射尽可能低。在搭建电路以前，做过仿真与验证，然后用于TL系统。本设计的吸引力在于，由于它采用的是常见元器件，提高了可重复性，同时降低了成本。




电路运行原理基于反激概念(图1)，运行期间，一只小型变压器受一只脉冲调制555非稳电路的驱动，工作频率在115kHz~300kHz。高工作频率可以使电路的整体尺寸较小，同时提供相对较高的功率输出以及良好的调节性，使输出滤波更容易做到低纹波。

实际电路中用一只MOSFET来实现开关。图1中，二极管对正的VOUT表现为正偏。将二极管和一个变压器绕组极性反向，就获得一个负的VOUT。电路工作在三个不同的相位。在相位一，开关闭合，因电流流过变压器初级，能量以磁场形式存储起来。二极管反偏，次级没有电流流过。

在相位二，开关打开，二极管变成正偏，能量从磁场传送给电容C。在相位三，能量的转储完成，在开关漏源电容中存储的任何剩余电荷都被完全释放。然后重复这个循环。

为更好地解释电路的工作原理，比较简单的办法是假定恰在时间t=0以前，滤波器电容已经放电到标称输出电压，而通过变压器初级线圈的电流为零。t=0时，开关闭合，电流开始流经初级线圈。这样就会在次级线圈上产生一个电压，极性如图1所示。由于二极管是反偏，因此没有次级电流流过，次级线圈相当于开路。变压器初级端的作用就好比一个简易装的电感器。初级电流呈线性增加，公式如下：




在开关闭合期间，次级线圈上的感应电压为nVCC。因此，二极管必须承受的最小反偏电压为(nVCC+VOUT)。过了既定时间后，开关打开。在实际电路中，这相当于MOSFET被关闭。假设初级线圈中的电流在该时刻为IPK，则电感器中存储的磁场能量就等于:




由于初级线圈与次级线圈之间的磁通量，当初级电路开路时，电感器中存储的但正在崩溃的磁场在次级端中感应出了足够高的电压(>VOUT)，使二极管正偏。电流的初始值为I2=IPK/n。在二极管正偏期间，次级线圈上的电压将为(VOUT+0.7)。这也可以看作初级端电压向下变换为VOUT/n。因此，当开关打开时，它必须承受的实际电压是: