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
（特徵：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Vr1與R3的設定，使輸出電壓在+2.5V-5V範圍內變化，輸出電壓Vout可利用下式求得：
   ----------------------（1）
 Vref： 內部的基準電壓 。
 
圖中的TL431是TI的編號，NEC的編號是μPC1093，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度基準電源電路
（特徵：高精度、電壓可變） 
    類似REF-02C屬於高精度、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，它的電壓變化範圍為+5-+10V。
 

※利用單電源製作正負電壓同時站立的電源電路
（特徵：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4中的TPS60403 IC可使輸入的電壓極性反轉。
 

※40V最大輸出電壓的Serial Regulator
（特徵：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二極體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，會引發輸出電壓雜訊上升與波動等問題；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 2-5K 比較合適。

※輸出電壓為 40-80的Serial Regulator
（特徵：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，由於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體E-202。  　

※輸出電壓為 150V的高電壓Serial Regulator
（特徵：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 範圍內，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
（特徵：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，因此非常適用於高電壓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。
 

※TO-220封裝的非絕緣型Step Down Converter
（特徵：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，不過實際上由於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Regulator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最大特徵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體（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以下機型一應具全而且都已經商品化。表1是TO-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

※定址Step Down Converter
（特徵：IC容易取得價格低廉）
    圖10使用歷史相當長久的Step Down 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是定址Step Down Converter用IC。

※On Board電源用Step Down Converter
（特徵：封裝面積小，操作簡易的DC-DC Converter）
    圖11是利用定址控制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於0.5歐 的type；線圈的inductance為100UH 或是 33UH。

※效率95%的超小型Step Down Converter
（特徵：由5*5MM 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屬於同步整流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
（特徵：適用於電池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，由於電流值相當低因此使用的組件數量相對很少。圖13是輸入電壓為5V ，輸出電壓為10V 的DC-DC Converter，圖中的MAX865是8 pin的μMAX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，製作兩倍的正負電壓，由於本電路未使用線圈，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 的電壓下降，要求無電壓變動的電路可以採用MAX865並聯連接，或是改用MAX743 type。此外V- 電路的負載電流較大時，基於保護電路等考慮，可以將shot key barrier二極體連接於V- 端子與GND 端子（第4 pin）之間。

※可輸出+5--  --5V 的DC-DC Converter
（特徵：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 ，輸入電壓範圍為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並聯連接 。
   
 
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
（特徵：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，由於這類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