本發(fā)明涉及導(dǎo)航類產(chǎn)品電源，特別涉及便攜式塔康設(shè)備的電源單元，具體涉及一種基于反向DC/DC控制器的反向升壓電路。

背景技術(shù)：

在各種電力電子技術(shù)的應(yīng)用中，均需要各種電源為設(shè)備提供動(dòng)力。在電源的研發(fā)及生產(chǎn)中，某型號(hào)產(chǎn)品需要-80V電壓供電，這就需要提供產(chǎn)生-80V電壓的解決方案。常規(guī)的反向升壓電路采用555芯片產(chǎn)生振蕩，控制開關(guān)器件（三極管）的導(dǎo)通與截止，后級使用變壓器搭建負(fù)極性全波整流電路，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積偏大，效率較低，輸出電壓精度較低，紋波偏大，致使該升壓電源面臨更新?lián)Q代。因此，上述問題成為本領(lǐng)域的電源研發(fā)人員所要研究和解決的課題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的輸出電壓精度低，效率較低，紋波偏大，維修困難等問題，特別提供一種基于反向DC/DC控制器的反向升壓電路。通過采用成熟的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換控制芯片，實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換功能，設(shè)計(jì)出技術(shù)先進(jìn)、工作穩(wěn)定、精度高，效率高，紋波小的反向升壓電路，滿足便攜式塔康設(shè)備的使用需求。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采取的技術(shù)方案是：一種基于反向DC/DC控制器的反向升壓電路，其特征在于：所述的反向DC/DC控制器采用型號(hào)為LTC3863的 DC/DC電壓轉(zhuǎn)換控制芯片N2、所述的反向升壓電路包括LTC6900小功率低頻振蕩器N1、P溝道MOSFET管M1和肖特基二極管D1，小功率低頻振蕩器N1的3腳通過電阻R2與小功率低頻振蕩器N1的1腳連接后接+5V電源，小功率低頻振蕩器N1的2腳接地，小功率低頻振蕩器N1的5腳連接至控制芯片N2的1腳，控制芯片N2的2腳、4腳、6腳分別連接電阻R5的一端、電容C6的一端、電阻R6的一端，電阻R6的另一端通過電容C1與電阻R5和電容C6的另一端連接后接地，控制芯片N2的3腳接地；控制芯片N2的9腳通過電容C2連接控制芯片N2的11腳以及電容C8和電容C7的一端后接輸入電壓Vin端，電容C8和電容C7的另一端連接后接地；控制芯片N2的12腳接P溝道MOSFET管M1的柵極，控制芯片N2的11腳通過電阻R1與控制芯片N2的10腳連接后接P溝道MOSFET管M1的漏極，P溝道MOSFET管M1的源極與肖特基二極管D1的負(fù)極連接后通過電感L1接地；控制芯片N2的5腳和7腳分別連接電容C5的兩端，然后又分別連接電阻R4的兩端，同時(shí)控制芯片N2的7腳又通過電阻R3與續(xù)流二極管D1的正極以及電容C3、電容C11、電容C4、電容C9和電容C10的一端連接，連接后作為輸出電壓Vout端，電容C3、電容C11、電容C4、電容C9和電容C10的另一端連接后接地。

本發(fā)明所產(chǎn)生的有益效果是：將本設(shè)計(jì)應(yīng)用于便攜式塔康設(shè)備，為設(shè)備中的天線低頻調(diào)制單元提供-80V的高壓供電，電路結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，便于維護(hù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的-80V/80mA輸出電路原理圖；

圖2為本發(fā)明的-80V/80mA輸出仿真結(jié)果曲線圖；

圖3為電阻R1=33.2mΩ，其余器件不變的仿真結(jié)果曲線圖；

圖4為電阻R1=16.2mΩ，其余器件不變的仿真結(jié)果曲線圖；

圖5為電容C6=0.01μF，其余器件不變的仿真結(jié)果曲線圖；

圖6為電容C6=1μF，其余器件不變的仿真結(jié)果曲線圖；

圖7為電感L1=10μH，其余器件不變的仿真結(jié)果曲線圖；

圖8為電感L1=47μH，其余器件不變的仿真結(jié)果曲線圖；

圖9為電容C3=10μF，電容C11=10μF，其余器件不變的仿真結(jié)果曲線圖；

圖10為電容C3=47μF、電容C11=47μF，其余器件不變的仿真結(jié)果曲線圖。

具體實(shí)施方式

為了更清楚的理解本發(fā)明，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述：

參照圖1，反向DC/DC控制器采用型號(hào)為LTC3863 的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換控制芯片N2、所述的反向升壓電路包括LTC6900小功率低頻振蕩器N1、P溝道MOSFET管M1和肖特基二極管D1；小功率低頻振蕩器N1的3腳通過電阻R2與小功率低頻振蕩器N1的1腳連接后接+5V電源，小功率低頻振蕩器N1的2腳接地，小功率低頻振蕩器N1的5腳連接至控制芯片N2的1腳，控制芯片N2的2腳、4腳、6腳分別連接電阻R5的一端、電容C6的一端、電阻R6的一端，電阻R6的另一端通過電容C1與電阻R5和電容C6的另一端連接后接地，控制芯片N2的3腳接地；控制芯片N2的9腳通過電容C2連接控制芯片N2的11腳以及電容C8和電容C7的一端后接輸入電壓Vin端，電容C8和電容C7的另一端連接后接地；控制芯片N2的12腳接P溝道MOSFET管M1的柵極，控制芯片N2的11腳通過電阻R1與控制芯片N2的10腳連接后接P溝道MOSFET管M1的漏極，P溝道MOSFET管M1的源極與肖特基二極管D1的負(fù)極連接后通過電感L1接地；控制芯片N2的5腳和7腳分別連接電容C5的兩端，然后又分別連接電阻R4的兩端，同時(shí)控制芯片N2的7腳又通過電阻R3與續(xù)流二極管D1的正極以及電容C3、電容C11、電容C4、電容C9和電容C10的一端連接，連接后作為輸出電壓Vout端，電容C3、電容C11、電容C4、電容C9和電容C10的另一端連接后接地。

本設(shè)計(jì)主要由基于LTC3863的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換控制芯片（以下簡稱“LTC3863芯片”）、LTC6900小功率低頻振蕩器、P溝道MOSFET管、肖特基二極管及濾波電路構(gòu)成。LTC3863是LINEAR公司推出的一款反向升降壓DC/DC變換器控制芯片，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化電源，通信電源，分布式電源系統(tǒng)等領(lǐng)域。

本設(shè)計(jì)工作原理：由LTC6900小功率低頻振蕩器產(chǎn)生440KHz方波，為LTC3863芯片提供穩(wěn)定的工作頻率。經(jīng)LTC3863芯片的12腳，控制P溝道MOSFET管的導(dǎo)通與截止，后級應(yīng)用升壓電路實(shí)現(xiàn)該電源的基本功能。輸出電壓通過設(shè)置反饋分壓電阻R3、R4來配置，從而實(shí)現(xiàn)滿足如下技術(shù)指標(biāo)的反向升壓電源：

輸入電壓范圍（V_IN）：12V～18V；

輸出電壓（V_OUT）：-80V；

最大輸出電流（I_OUT（MAX））：80mA；

開關(guān)頻率：440kHz。

LTC3863芯片共13個(gè)引腳，下面對它的13個(gè)外部引腳進(jìn)行介紹：

PLLIN/MODE（PIN1）：外部參考時(shí)鐘輸入和脈沖模式使能/失能引腳。當(dāng)有外部時(shí)鐘應(yīng)用到該引腳，內(nèi)部鎖相環(huán)將使接通柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的沿與外部時(shí)鐘上升沿同步。當(dāng)沒有外部時(shí)鐘應(yīng)用到該引腳，這個(gè)輸入在輕載期間終止工作。此引腳懸空，選擇低I_Q（40μA）脈沖模式工作。此引腳接地，選擇無脈沖模式工作。

FREQ（PIN2）：開關(guān)頻率設(shè)置輸入引腳。開關(guān)頻率通過在FREQ引腳與SGND引腳之間連接的外部電阻進(jìn)行設(shè)置。LTC3863芯片內(nèi)部具有一個(gè)20μA的電流源，通過連接的外部電阻產(chǎn)生一個(gè)電壓設(shè)置內(nèi)部振蕩器頻率?？砂匆韵聝煞N情況應(yīng)用，該引腳可以被直接驅(qū)動(dòng)通過一個(gè)直流電壓設(shè)置振蕩器頻率。該引腳接地選擇350KHz的固定工作頻率，該引腳懸空選擇535KHz固定工作頻率。

SGND（PIN3）：為模擬元件小信號(hào)提供參考地。

SS（PIN4）：軟啟動(dòng)。LTC3863芯片的此引腳與地之間接一電容，設(shè)置斜波上升速率，典型時(shí)間給SS引腳達(dá)到的調(diào)節(jié)水平為：

………………………………（式1）

V_FB（PIN5）：誤差放大器反相輸入端，從輸出電壓接一電阻分壓器至此端以設(shè)置輸出電壓值。該引腳內(nèi)部參考電壓值為0.8V。

ITH（PIN6）：電流控制門限及控制器補(bǔ)償引腳。此引腳是誤差放大器的輸出端和開關(guān)調(diào)節(jié)的補(bǔ)償引腳。電壓范圍在0V到2.9V之間。

V_FBN（PIN7）：反相PWM控制器的反饋輸入引腳。在輸出端到V_FB之間的電阻分壓器的中心連接到V_FBN引腳。V_FBN理論電壓值為0V。

RUN（PIN8）：數(shù)字啟動(dòng)控制輸入引腳。啟動(dòng)電壓超過1.26V正常工作，當(dāng)電壓低于1.26V關(guān)斷控制器。一個(gè)內(nèi)部0.4μA電流源上拉到該引腳。此引腳可以連接一個(gè)高達(dá)60V的外部電源。

CAP（PIN9）：柵極驅(qū)動(dòng)（-）供給引腳。一個(gè)至少0.1μF的低ESR（等效串聯(lián)電阻）的陶瓷旁路電容，并聯(lián)到Vin引腳到此引腳，為內(nèi)部調(diào)整器提供旁路電容。

SENSE（PIN10）：電流檢測輸入引腳。在V_in引腳和SENSE引腳之間設(shè)置一個(gè)大電流限制。峰值感應(yīng)電流限制在95mV/R_SENSE。

V_in（PIN11）：芯片電源輸入引腳。在此引腳到底之間應(yīng)連接一個(gè)最小0.1μF的旁路電容。為了達(dá)到性能更優(yōu)，在靠近V_in引腳的位置使用一個(gè)低ESR（等效串聯(lián)電阻）陶瓷電容。

GATE（PIN12）：外部P溝道MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)輸出引腳。當(dāng)輸入電壓高于8V時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)偏壓（V_in-V_CAP）調(diào)節(jié)到8V。當(dāng)（V_in-V_CAP）低于3.5V時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)失效。

PGND（PIN13）：電源的參考地。此引腳必須單獨(dú)的在電路板上進(jìn)行電氣連接，僅在一點(diǎn)上使用PCB信號(hào)線連接電源地及信號(hào)地。

基于LTC3863控制芯片的反向升壓電路詳細(xì)設(shè)計(jì)如下：

1.輸出電壓設(shè)計(jì)

輸出電壓由反饋分壓電阻R3、R4來配置，LTC3863控制芯片的5腳為參考電壓0.8V，該電路要求-80V電壓輸出，可計(jì)算出電阻R3與R4的比值為100，現(xiàn)設(shè)計(jì)R3=499kΩ、R4=4.99kΩ，可滿足輸出電壓為-80V。

2.開關(guān)頻率及同步時(shí)鐘

表1列出FREQ引腳與PLLIN/MODE引腳在不同情況下的工作頻率情況。

表1

本設(shè)計(jì)電阻R5為64.9kΩ，PLLIN/MODE引腳接外部時(shí)鐘，外部時(shí)鐘選用LTC6900小功率低頻振蕩器產(chǎn)生。

3.電感選擇

該電路考慮在輸入電壓最大為18V，輸出滿負(fù)荷0.08A的情況下，計(jì)算得出電感L1_max為191μH，通常選擇電感L1為10~68μH之間，本設(shè)計(jì)選擇電感L1=22μH。

計(jì)算在最小輸入電壓12V下，產(chǎn)生的紋波電流為ΔI_L=1.08A。

計(jì)算連續(xù)/非連續(xù)模式邊界輸出電流，得出I_OUT（CDB）=0.184A。

計(jì)算最大的電感峰值電流發(fā)生在最小輸入電壓和滿負(fù)載情況下，得出

I_{L（PEAK_MAX）}=1.16A。

4.設(shè)置電阻R1的阻值

設(shè)置電阻R1的阻值，考慮設(shè)計(jì)50%的余量，可計(jì)算出電阻R1=54.6 mΩ，本設(shè)計(jì)選擇電阻R1=49.9mΩ。

在電阻R1=49.9mΩ情況下，計(jì)算出峰值電感電流限定在1.9A；選擇電感值的額定電流需大于1.9A。

輸出電流極限通過峰值電感電流極限和最小輸入電壓計(jì)算得出I_{LIMIT（MIN）}=0.177A，因此最大輸出電流應(yīng)限制在0.177A，是額定輸出電流0.08A的兩倍多。如果需要更高的輸出電流限制，只需減小電阻R1的阻值即可。

5.設(shè)計(jì)C2電容值

電容C2的容值由軟啟動(dòng)時(shí)間t_SS決定，計(jì)算當(dāng)t_ss=8ms時(shí)，電容C2選取0.1μF的電容值。

6.P溝道MOSFET管的選擇

本設(shè)計(jì)選取的P溝道MOSFET管型號(hào)為IRF9640，IRF9640的V_DS=-200V，R_DS（ON）=0.5Ω（V_GS=-10V時(shí)），具備快速開關(guān)的功能，可以滿足本設(shè)計(jì)要求。

7.選擇肖特基二極管

二極管的反向耐壓值應(yīng)大于（18V+80V），本設(shè)計(jì)選取的肖特基二極管型號(hào)為MURS120，它的反向耐壓為200V，正向?qū)娏髯畲筮_(dá)2A，滿足本設(shè)計(jì)要求。

如圖2所示，根據(jù)圖1的電路通過軟件仿真，得出的仿真結(jié)果可以看出輸出電壓由0V逐漸下降，在大約33ms時(shí)，輸出電壓達(dá)到-80V，建立了穩(wěn)定狀態(tài)。

如圖3、圖4所示：分別為R1=33.2mΩ和R1=16.2mΩ的仿真結(jié)果。適當(dāng)減小電阻R1的值可以提高輸出電流限制，但通過對圖2、圖3、圖4的分析，可以發(fā)現(xiàn)電阻R1的值越小，建立穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間越短，即輸出電壓從0V下降到-80V的速度越快。由圖可知，當(dāng)電阻R1=49.9mΩ時(shí)，建立穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間為33ms；當(dāng)電阻R1=33.2mΩ時(shí)，建立穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間為12ms；當(dāng)電阻R1=16.2mΩ時(shí)，建立穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間為8ms，但建立穩(wěn)定狀態(tài)初始時(shí)的紋波峰峰值會(huì)更大。根據(jù)實(shí)際使用情況，我們并不需要迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，通常在幾十毫秒均可以接受，但卻要求更小的紋波噪聲。因此，本設(shè)計(jì)選擇R1=49.9mΩ的設(shè)計(jì)，甚至略大些是合適的，而減小電阻R1的值是不明智的。

如圖5、圖6所示：分別為電容C6=0.01μF和電容C6=1μF的仿真結(jié)果。由圖2和圖5的仿真結(jié)果可以看出在電容C6=0.1μF或C6=0.01μF時(shí)差異并不明顯，而圖5中電容C6=0.01μF時(shí)，在建立穩(wěn)定狀態(tài)的過程中出現(xiàn)了波動(dòng)（5ms處），并不像圖2中電容C6=0.1μF時(shí)的建立穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的波形，非常平滑。由圖6的仿真結(jié)果可以看出，仿真時(shí)間為50ms，然而到達(dá)50ms時(shí)輸出電壓剛下降到-50V，下降曲線接近于一次函數(shù)，可以得出，到達(dá)80ms左右時(shí)，電壓可以達(dá)到-80V的穩(wěn)定狀態(tài)，但我們認(rèn)為80ms的啟動(dòng)時(shí)間較長。本設(shè)計(jì)選擇電容C6為0.1μF，或者選擇非常接近0.1μF的電容值是合適的。

如圖7、圖8所示：分別為電感L1=10μH和電感L1=47μH的仿真結(jié)果，由圖7的仿真結(jié)果可以看出，適當(dāng)減小電感L1的電感值后，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間延長，約為50ms。同時(shí)電感L1=10μH的紋波噪聲偏小些。由圖8的仿真結(jié)果可以看出，適當(dāng)增大電感L1的電感值后，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間縮短，約為15ms，對其他狀態(tài)并未產(chǎn)生明顯影響。綜合上述分析得：適當(dāng)增大或減小電感L的電感量，基本不影響穩(wěn)定的-80V直流電壓輸出，可以選擇其他電感值來滿足設(shè)計(jì)要求。改變電感值后，如對啟動(dòng)時(shí)間和紋波噪聲等指標(biāo)造成影響，可通過配調(diào)其他元器件來使設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)。本設(shè)計(jì)選取的電感L1=22μH是相對合適的。

圖9、圖10所示：分別為電容C3=10μF，電容C11=10μF與電容C3=47μF，電容C11=47μF時(shí)的仿真結(jié)果。電容C3和電容C11為輸出濾波電解電容。本設(shè)計(jì)采用電容C3=22μF、電容C11=22μF電解電容并聯(lián)。由圖9的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)輸出濾波電解電容為10μF時(shí)，建立穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間約為17ms，輸出紋波較小，總體輸出結(jié)果變化不大。由圖10的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)輸出濾波電解電容為47μF時(shí)，在建立穩(wěn)定狀態(tài)的過程中產(chǎn)生小的不穩(wěn)定波動(dòng)，同時(shí)啟動(dòng)時(shí)間達(dá)到將近80ms。對該電路繼續(xù)進(jìn)行擴(kuò)展分析，我們可以得出如下結(jié)論：適當(dāng)減小輸出濾波電容的容值對電路建立穩(wěn)定狀態(tài)無較大影響，但輸出濾波電解電容值越小濾波效果越差；適當(dāng)增加輸出濾波電解電容的容值，會(huì)使得電路建立穩(wěn)定狀態(tài)的過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定因素。如果繼續(xù)加大輸出電容值，將會(huì)有一點(diǎn)使得電路無法正常輸出-80V。即電路輸出端有一個(gè)最大容性負(fù)載的限制。設(shè)計(jì)時(shí)輸出端濾波電解電容不應(yīng)超過最大容性負(fù)載的限制。

根據(jù)上述說明，結(jié)合本領(lǐng)域技術(shù)可實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的方案。