如何从正降压DC-DC转换器产生辅助电源

除主电源外，许多应用还需要低功耗电源。出于成本、库存管理或电磁兼容性 （EMC） 的原因，单独的转换器可能不合适。因此，需要另一种从主电源提供额外电源轨的方法。本应用笔记展示了如何使用降压型IC转换器的开关动作来获得一个或多个输出：隔离式或非隔离式、准稳压或非稳压输出。

介绍

除主电源外，许多应用还需要低功耗电源。一个典型的例子是模拟前端放大器需要±5V，而主数字电路只需要+5V。出于成本、库存管理或EMC的原因，单独的-5V转换器可能不合适。因此，需要另一种从主电源提供额外电源轨的方法。

作为此问题的解决方案，降压型IC转换器的开关动作可用于获得一个或多个输出，隔离或非隔离，准稳压或非稳压。辅助输出电流为主输出的10%至30%是完全可能的。本应用笔记将说明使用MAX5035 DC-DC转换器的该技术。

降压波形

回顾工作降压转换器中的波形，将确定可用于产生额外输出的电压和电流。请参阅下面的图 1 和本文末尾的示例 1 波形。

图1.MAX5035原理图为降压转换器工作原理图。

LX引脚处有一个幅度为开关电压波形：

VLX = [VIN (max) to -V(diode)] < VLX < VIN(min) -V(diode)]

电源循环期间主电感器两端的电压（LX 连接到 Vin） 是：

VIND = [VIN (max) - VOUT] < VIND < [VIN(min) - VOUT]

连续电感电流操作

当电源开关关闭时，LX连接处的电压变为负值，打开二极管D1，以确保电感电流继续循环。当电源循环开始时，D1中的环流降至零时，操作称为连续（图2）。

图2.连续电感电流波形。TS = 切换周期;D = 占空比。

了解与关键元件相关的各种RMS电流和电压后，功耗可以计算如下：

　　定义

　　RON_SW—数据手册中内部电源开关的导通电阻 （V在至 LX）

　　RLOAD — 连接在电源输出端的有效电阻。

　　静止—控制IC的静态电流，无开关动作。 IDIODE_RMS—肖特基二极管（D1）正向有效值电流。

　　VFORWARD - 肖特基二极管 D1 在额定电流下的正向压降。

　　ILOAD_RMS - RMS 负载电流。

　　辅助输出

辅助输出可以通过电感器上的附加绕组添加到主降压端。额外的输出依赖于主电感在“锁位”肖特基二极管（图1中的D1）导通期间的反激作用。由于二极管压降相对恒定（300mV至500mV，通常取决于电流），并且由于控制器调节输出电压，因此电感的压降在电源开关的关断时间内也相对恒定。为使压降保持一致，主电感应在整个主降压负载范围内连续导通。

LX引脚还可用于为分立电荷泵电路提供开关输入。为了保持一致，每当需要额外输出时，LX引脚必须处于活动状态。您可以通过确保主降压输出支持最小负载来保持LX引脚处于活动状态。

电感器选择

设置主电感的值需要三个功能：电感两端的电压、工作频率和电感的电流纹波。这些功能共同确保电感中存储足够的能量。电感的最小值由最大占空比和最小输入电压决定，由下式给出：

纹波电流是输出电流的百分比，MAX30定义为5035%。请注意，纹波电流设置了不连续工作开始前的最小负载电流。由于辅助电源会增加电源开关的峰值电流要求，因此必须注意限制辅助电源的消耗。

对于许多应用，评估（EV）板的标准设置为100μH和68μF输出滤波器值是合适的。这些值将保留用于额外供应。MAX5035具有固定的内部3类补偿，对输出电容的选择提出了限制。选择ESR，使零频率出现在20kHz和40kHz之间。更多信息参见MAX5035数据资料的应用部分。

来自主电感变压器的辅助输出

在电源开关的关断时间内，电感的压降相对恒定，因为初级肖特基二极管的压降相对恒定（300mV至500mV，通常取决于电流），并且控制器调节输出电压。连接次级整流器和电容器，以便在反激周期（二极管导通）期间发生导通，允许从主电感中抽取一些能量。图3a和3b显示了这种安排的两个版本。辅助绕组与主降压组隔离，可实现灵活的连接布置。图3a显示了折合到零伏的辅助输出，图3b显示了折合到主正输出的辅助输出。另请参见示例2a和2b中的波形。

图 3a.变压器用作主电感器（辅助输出以零伏为参考。T1 = 库珀·布斯曼 DRQ125-101。（请注意绕组开始的 DOT 约定。

图 3b.变压器作为主电感（+ve辅助输出参考主输出）。T1 = 库珀·布斯曼 DRQ125-101。（请注意绕组开始的 DOT 约定。

辅助输出电压由下式给出：

VAUX = N2/N1 (VOUT + VDIODE1) - VDIODE2

N1 = 初级匝数，N2 = 次级匝数。

图3中的输出与输入电压变化无关，因为当内部LX电源开关关闭时，D2为ON。 应选择电容C7，以便在电源开关的最大导通时间内支持输出。次级输出会受到2%至3%的输出变化，因为D1的正向压降随温度和负载电流而变化。由于变压器的N1和N2彼此直流隔离，因此额外的输出可以参考任何直流电压。

对于给定的电感值，辅助输出端的次级功率受主初级环路中不连续电流的限制。简单地说，D1必须在反激期结束时保持传导。在不连续工作开始时，通过D1的导通变为零，LX处的电压将显示特征衰减“环”，频率由输出电感和LX节点的总杂散电容决定。

当内部LX从开到关时，次级负载会导致转换点的初级电流发生变化。图 4 中所示的当前步骤由下式给出：

IXTRA = PSEC (D x VLX)
D = 占空比
PSEC= 次级电源
VLX= LX 处的峰值电压偏移

原则上，匝数比的选择有很大的灵活性。然而，在实践中，具有合适电感和峰值电流值的标准1：1变压器的可用性使其成为最受欢迎的匝数比选择。

图4.次级负载引起的初级电感电流。

注意额外的负载如何产生改变的初级纹波电流。粗线表示主电感电流形状的简化变化，并带有有源辅助输出。

这种方法的相对优势

正或负辅助输出

准稳压辅助输出

孤立;可参考接地或主正输出

通过主降压设置电感值

现成的磁性元件（1：1 变压器比）

这种方法的相对缺点

初级纹波电流增加增加不连续电流的产生

辅助输出所需的最小负载

主正输出端所需的最小负载，以保持LX的开关动作

电荷泵的负辅助输出

LX端电压偏移可用作电荷泵的源，以产生未稳压的辅助负输出。附加输出未稳压，因为LX处的电压未与V的变化隔离在.额外的电荷泵元件如图5所示。另请参见示例3中的波形。

当电源开关在电源循环开始时闭合时，电流通过D7和R2流入C6，并开始在电感L1中斜坡上升。在D1导通的反激循环中，C7上的电荷转移到C8和负载。R6是一个重要的补充，因为它限制了C7的峰值电流。如果没有R6，将超过电源开关的电流限值，导致电源周期过早终止，甚至关断受保护的降压转换器（如MAX5035）。参见图 6。

图5.电荷泵的辅助负输出原理图。

图6.来自电感和电荷泵的电流波形。

由R6和C7引起的非稳压电荷泵的源阻抗由下式给出：

通过识别非稳压电荷泵的源阻抗，设计人员可以估算可变负载条件下的电荷泵输出电压。

开路电荷泵辅助输出电压大致由下式给出：

加载的电荷泵辅助输出电压由下式给出：

当电容值在1μF至10μF范围内时，R1将主导源阻抗。输出纹波几乎完全由C8的ESR（图4中的输出电容）引起。由于电荷泵未稳压，因此可以在输出端连接线性稳压器以提供稳压负输出。

这种方法的相对优势

小型组件

成本低于 1：1 变压器架构

这种方法的相对缺点

非稳压输出;如果输入电压范围很宽，则输出端可能需要一个额外的稳压器。

高峰值电流，适用于适度的辅助负载电流（约 4 x IOUT_AVE)

仅负辅助输出;输出可以参考地或主稳压输出，前提是有足够的电压差为泵浦电容充电（图7中的C5）。

辅助输出所需的最小负载，以防止尖峰存储过压

主正输出端所需的最小负载，以保持LX的开关动作

赛克辅助电源

通过使用第二个电感L2，可以从LX引脚获得负输出，L7与主降压电感共享相同的内核，因此具有相同的值。图 5 显示了 C2、D6、C2 和 L4 如何形成 SEPIC 拓扑。另请参见示例1中的波形。LX处驱动正输出降压的开关信号与驱动负输出的电平相同。在开关导通期间，L<> 两端的电压为 VLX， w外，在关闭期间为 V外+ VDIODE_1).通过变压器作用 （1：1），该电压也施加在 L2 两端并产生 -V外与 D2 和 C5。由于两个绕组L1和L2的耦合不太完美，C5创建了SEPIC连接，并以非常适度的调节改善了正常反激式辅助输出的调节。

选择耦合电容C5是为了在其上产生低压纹波，作为辅助负载电流占空比和时钟周期的函数。

这种方法的相对优势

准稳压输出

“干净”电感电流波形;减少噪音产生

通过耦合电感器降低纹波

单个磁性元件（现成的 1：1 变压器）

这种方法的相对缺点

-VOUT仅可用

接地参考输出

图7.耦合电感器SEPIC辅助电源。L1， L2 = 库珀·布斯曼 DRQ125-101。（请注意绕组开始的 DOT 约定。

结论

可以将许多辅助输出拓扑添加到集成的正降压转换器中。示例选择MAX5035，但较低输出的MAX5033可以采用相同的电路，但输出减小。

审核编辑：郭婷