嵌入式系统中小功率开关电源的设计

       随着计算机技术、半导体技术以及电子应用技术的发展，嵌入式系统以其体积小、可靠性高、功耗低、软硬件集成度高等特点广泛应用于工业控制、过程控制、仪器仪表、航天航空、汽车船舶、网络通信、军事装备、消费产品等众多领域。在这些系统中电源的结构和性能起着关键性的作用，特别是需要使用220V交流电供电的多路电源的系统，其电源设计的合理性和可靠性尤为重要。过去常用的变压器降压、整流滤波后稳压的线性电源，在嵌入式系统要求体积小，利用率高的情况下，显得不足。寻求体积小、效率高、成本低、可靠性好的开关电源成为一种迫切的需要。本文根据实际应用中的体会，以小功率单片开关电源集成电路FSD200为核心，设计并实现了一款适合嵌入式系统需求的小功率开关电源。

1 系统原理

       在很多工业控制领域的嵌入式系统中，输入通常为220V的交流市电，而系统中需要多路直流电源驱动功率器件和微处理器系统。一个典型的开关电源的原理结构框图如图1所示，电网的中220V交流电首先经过整流电路，馈送到FSD200。

图1 嵌入式中小功率多路开关电源的原理框图

       该器件的输出通过变压器隔离耦合后，稳压输出12V直流，其大小可以通过改变稳压电路部分来实现。电压输出端由TL431精密稳压器和线性光耦组成一个反馈回路，控制FSD200中的脉宽调制比例，实现开关电源的稳定输出。得到12V的直流电压后，可以通过DC/DC变换器，得到系统需要的5V、3.3V和2.7V等所需电源。

2 FSD200结构原理

       FSD200是Fairchild公司近年推出的小功率单片开关电源集成电路，输出功率7W，内部集成了PWM控制及功率MOS管，并有过热保护、过负荷保护、欠压锁存、软起动、电流限制等功能，其独特的频率抖动电路能较好地减弱电磁干扰。

       FSD200单片开关电源的内部框图如图2所示。

图2 FSD200内部功能原理框图

       FSD200单片开关电源启动时，直流高压电源通第8引脚Vstr进入芯片内部的高压调节器，再稳压到7V作为芯片的工作电压U cc，同时以约100μA的电流源向参考电压及欠压锁存模块充电。第5引脚V c c的外接电容一般选在1 0 ~ 4 7 μ F ， 这种方式省去了通常开关电源须采用反馈线圈提供工作电压的需要。

       FSD200是电压控制模式器件，与典型的开关电源电路一样，采用线性光耦PC817与可调式精密稳压器TL431组成高频变压器二次侧的电压反馈网络。当负载变化引起输出电压变化时，反馈网络将信号回馈至第4引脚Vfb，与振荡器送出的锯齿波比较，产生相应的PWM波脉宽的变化，最后使高频变压器二次侧的输出电压稳定，完成反馈控制。