一種用于4G通信模塊的低壓差電源設計方法

戚凱 王銀 孫賓 朱龍飛

摘 要：目前，4G通信模塊在電力信息采集行業中的應用越來越廣泛。根據行業應用特點，要求模塊在裝置的正常工作電源掉電的情況下，仍具有保持與主站通信1 min以上的能力。因此，4G通信模塊通常使用超級電容或充電電池作為備用電源。為延長裝置掉電狀態下4G通信模塊的工作時間，需要使用低壓差的電源轉換電路將備用電源電壓轉化為模塊工作電壓。該文介紹了一種高性價比、高可靠性的低壓差開關電源設計方法來實現此需求。

關鍵詞：低壓差；開關電源；4G通信模塊

中圖分類號：TN402 文獻標志碼：A

0 引言

隨著移動通信網絡的高速發展及資費的大幅下降，電力系統的用電信息采集網絡逐漸開始使用支持全網通模式的4G通信模塊。為了提高客戶服務水平，電力運營商在用電信息采集系統深化應用方面開展了大量工作，其中臺區停上電上報功能是其中的重要功能。為保證集中器在市電供電丟失的情況下，仍能與主站通信3次以上，上報停電事件，要求集中器的備用電源可支持集中器運行1 min以上，因此需使用低壓差的供電電路延長備用電源的供電時間。

目前開關電源應用的占空比主要在65%以下，但是，在采用低壓差的電源轉換電路為4G通信模塊供電時，其輸出電壓近似于輸入電壓，電源占空比接近100%，導致開關電源開關管大部分時間處于導通狀態，而開關周期內開關管的關閉時間很短，從而導致與開關管有關的自舉電容的充電時間較短，不能維持開關管導通時所需的電壓和能量，進而導致開關電源的輸出電壓異常，無法維持4G通信模塊的正常工作。該文介紹了一種高性價比、高可靠性的低壓差開關電源設計方法，在充電模塊與開關電源輸出管腳自舉電容之間增加RD充電線路，從而提高了自舉電容充電電壓，解決了低壓差應用下開關電源輸出電壓不穩的問題。經過實際測試，其結果與理論分析相符，證明此開關電源設計方法能夠很好地滿足應用需求。

1 低壓差開關電源電路原理圖

在采用低壓差的開關電源為4G通信模塊供電時，自舉電容在開關周期內的充電電壓無法滿足4G通信模塊正常工作的需求。因此，要使充電電容獲得足夠的電壓和能量，就需要增大充電電容兩端的電壓。該文提出的設計方法中除了開關電源之外還設置有充電模塊，該充電模塊連接開關電源中與開關管相關的自舉電容，為自舉電容充電。這樣在不改變開關管對自舉電容進行充電的時間的情況下，可以使充電電容獲得足夠的電壓和能量，進而可以保證開關管在導通時所需要的電壓和能量，保證輸出電壓正常。并且采用此設計方法可以在開關管導通后，維持較長時間的電荷積累過程，因此不會出現輸出電壓跌落的異常情況，進一步保證了輸出電壓正常，以維持4G通信模塊的正常工作，從而解決了特殊條件下4G通信模塊的供電問題，提高了開關電源的利用效率。

充電模塊的實現方式有很多種，該文給出其中2種：

第一種，充電模塊包括供電單元和充電線路。供電單元可以是常規的直流電壓輸出設備；充電線路的一端連接供電單元，另一端連接開關電源中與開關管相關的自舉電容。第二種，由于開關電源的電壓輸入端連接有直流電，因此，可以直接利用開關電源的輸入端的直流電為自舉電容充電。此時，該充電模塊就僅是一條充電線路，該充電線路的一端連接開關電源的電壓輸入端，另一端連接開關電源中與開關管相關的自舉電容。

如圖1所示，開關電源芯片為美國芯源公司的MP2315，電源芯片U1內部集成了MOSFET管。電路中VIN節點為開關電源芯片的輸入端，輸入范圍為4.5 V～5 V。為了解決低壓差的情況下，開關電源輸出電壓異常的問題，在電路中增加了一條充電線路（圖1中D1、R4），該線路的一端連接開關電源的電壓輸入VIN端，另一端連接自舉電容C4。為了保證為自舉電容單向供電，在充電線路上串設有二極管單元。為減小二極管壓降，二極管單元由2個二極管同向并聯構成。此外，為進一步減小二極管壓降，二極管還可采用肖特基類二極管。另外，充電線路上還串設充電電阻R4，用于消除噪聲干擾，減小壓降，電阻R4可選小阻值電阻。雙二極管和電阻R4組成了RD充電線路。

該文分別測試了輸入電壓為4.5 V，有RD充電線路和無RD充電線路情況下的輸出電壓。結果表明，無RD充電線路時輸出電壓較低，而且不穩，有短暫電壓跌落情況；而增加RD充電線路后，輸出電壓穩定為4 V，輸出正常。

2 開關電源芯片分析

開關電源在沒有RD充電線路的情況下，開關管關斷后，電源輸入電源VIN經升壓調節器及內部二極管為自舉電容C4充電，充電電流方向自芯片VIN管腳，經內部升壓調節器后至BST管腳，輸入電壓Vin為4.5 V時，電容C4只能充電至2.8 V。增加RD充電線路后，電源輸入VIN經RD充電線路（圖1中D1-R4-R5）為自舉電容C4充電。由于二極管響應速度快、壓降低，自舉電容C4能夠充電至3.8 V，儲存更多能量，從而可以保證開關管的正常導通，進而保證輸出電壓正常。并且，在開關管導通后能維持較長時間的電荷積累過程，不會出現輸出電壓跌落的異常情況。因此，在開關電源裝置中增加RD充電線路，可以提高自舉電容C4兩端的電壓，解決了開關電源低壓差狀態下輸出電壓不穩定的問題，保證為4G通信模塊提供穩定的工作電壓。

3 關鍵器件參數計算

3.1 儲能電感L1的參數計算

4 結語

該文提出的低壓差開關電源設計方法，通過在充電模塊與開關電源輸出管腳自舉電容之間增加RD充電線路，從而提高了自舉電容的充電電壓，解決了開關電源低壓差應用下輸出電壓不穩的問題。實驗結果表明，在4G模塊大電流通信情況下，低壓差開關電源可以滿足4G模塊穩定工作的需求，且電路實現簡單，具有很強的實用性。

參考文獻

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