超小型直流电源电压变换电路

维普资讯 http://www.cqvip.com 电子工程师　Ｄ　．２８　Ｎｏ．１１　２００２　超小型直流电源电压变换电路　Ｍｉｃｒｏｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ＤＣ／ＤＣ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　南京师范大学电子与电气工程学院　（南京２１００４２）　孙频东　郭怡倩　【摘　要】介绍了一种新颖的超小型ＤＣ／ＤＣ电压变换电路，对电路的工作原理进行了　理论分析，并用仿真算法对理论计算结果进行了校验，最后给出了基于Ｍａｘｉｍ器件的实用稳　压电路。　‘　关键词：直流电源，电压变换，仿真，开关　［Ａｂｓｔｒａｃｔ】　Ａ　ｎｅｗｌｙ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ＤＣ　ｔｏ　ＤＣ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｉｎｄｕｃｔｏｒｓ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ，ａｎｄ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ　ｔｏ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ　ｏｆ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｅｎｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ａ　Ｍａｘｉｍ　ｄｅｖｉｃｅ　ｂａｓｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　ｓｕｂｍｉｔｔｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＤＣ　ｓｕｐｐｌｙ，ｖｏｌｔａｇｅ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｓｗｉｔｃｈ　ｌ　引　言　当开关Ｋ打到“１”时，输入电源　对Ｃ　充电，考　虑到电源内阻及电子开关Ｋ的接触电阻都很小，因此　近年来，随着开关电源理论和微电子技术的发展，　充电速度很快，在很短的时间内就有Ｖ　一Ｖ，，在充电　出现了各种新颖的开关器件和集成电路，使传统的电　过程中，根据公式　源技术发生了重大的变化。在通常的ＤＣ／ＤＣ电压变　换电路中，仅用电容和直流电子开关实现直流电源电　一ｃ　一　（１）　压的变换，这种电路既能对输入电压进行升压变换也　能对输入电压进行降压变换。和其它直流稳压电源相　电容Ｃ　上的电荷量变化是　比，电容加电子开关式直流电源变换器的体积更小、成　本更低、工作频率更高。考虑到使用集成电子开关来切　△Ｑ—Ｃ１（　一ｖ　１（０一））　（２）　换电路，因此，在一般情况下，电源的工作电流较小，而　ｖ　（０一）为进入稳态后，开关从“２”点切换到“１”点前瞬　输出电压在额定的电流范围内仍较稳定，因而引起用　间的电压，近似等于输出电压　因此有　户关注。　△Ｑ—Ｃ　（　一ｖ　）　（３）　２超小型直流电源电压变换电路　超小型直流电源电压变换器的简化模型如图１所　△Ｑ是在一个工作周期的充电阶段中，电容内所存人　示，Ｖ　为输入直流电压，Ｃ　为储能电容，Ｃ　为滤波电　的电荷量，从电路充放电荷平衡的角度考虑，输出电流　容，在正常工作时，应满足ｃ　＞＞ｃ　，Ｒ　为电源负载，　的平均值　。应为　Ｋ为转换开关。电源开始工作后，开关Ｋ以某一固定　Ｉ　＝ｆ・△Ｑ＝ｆ・Ｃ１（　一Ｖ　）　（４）　频率厂在“１”和“２”两点之间切换，从而实现将输入端　直流电源的能量传递到输出端。　另外又有　Ｉ。＝Ｖ　／Ｒ　（５）　ＶＯ　所以，有输入、输出电压之间的关系如下：　ＲＬ　＝　㈦　图１　直流电源变换原理图　２．２超小升、降压型直流电源变换　２．１电路的稳态分析　仅用一只电容器进行充放电只能实现ＤＣ／ＤＣ的　降压转换，对图１的电路进行改进，改进后的电路如图　２所示，图２所示的电路就能进行升、降压变换。工作　＊收稿日期：２００２一Ｏ８一Ｏ６　原理如下，Ｋ１和Ｋ２均为多触点压控电子开关，工作　・５７・　维普资讯 http://www.cqvip.com 孙频东，等：超小型直流电源电压变换电路　要求保持输出电压不变时，可通过改变开关频率实现。　这为后面的稳压电源设计提供了依据。　　。ｏ／　二　口——ｒ——　／　ＶＯ　上Ｃ２　ｏ　弹　．习　．／，一１　ｒ＿１　ｒ＿］　辘　暑　嫩　图２　可实现升降压的直流电源变换电路　在反相状态，Ｋ１闭合时，Ｋ２断开，Ｋ１断开时。Ｋ２闭　合，压控开关的控制端输入高电平时开关闭合，输入低　电源的输入电压ｖｉ　图４　输入输出电压间的关系　ｌ４　电平时，开关断开。Ｋ１、Ｋ２均为四触点开关，四个触点　能同时打开和闭合，Ｋ１的四个触点闭合时，Ｋ２的四个　触点同时断开，电容Ｃ。、Ｃ：并联充电，Ｋ１的四个触点　断开时，Ｋ２的四个触点同时闭合，Ｃ。、Ｃ　串联放电，因　此，电源的输出电压值提高了，仿照２．１节的推导过程　可得图２所示电源的输入、输出电压关系如式（７）所　示。　（７）　ｌ２　１０　ｌ：ｒ＝ｌ　８　黍　暑４　２　Ｏ　Ｕ　ｌ００　２００　３００　４００　５００　６００　电源的工作频率ｆ０　如果需要更高的输出电压可以使用更多的电容进行串　并联。　图５　电源工作频率和输出电压间的关系　３超小型直流电源电压变换电路仿真　对超小型直流电源电压变换器的典型电路进行仿　真校验，以了解电路的动态性能，仿真电路如图３所　示，输入电压　．，电源开关频率为厂，输出电压　仿　真分以下几个项目进行。　ＫＩ　Ｋ２　’ｒ————ｒ—］●　Ｙ　ｆ　３．３电源的输出电压波形　仿真得到的电源输出波形如图７所示，输出电压　的建立过程为电压单调上升过程，电源　，通过电容　ｃ　不断地对Ｃ　进行充电，使输出电压上升到正常值，　在正常使用时应有ｃ。＜＜ｃ　的关系，ｃ　值较小可限　制充电时流过电子开关的电荷量。　６　＝－　Ｃｌ上　＾／　ｏ—　ｃ　Ｒ．　．３　Ｉ　、　ｒ、、　，＾　’　Ｔ　【　ｆ　上　ｆ　图３　仿真用电源电压变换电路　Ｏ　３．１输人电压变化对输出电压的影响　设定图３仿真电路参数如下：　Ｃ１—０．１ｐ．Ｆ、Ｃ２—１０ｐ．Ｆ、ＲＩ一１００Ｑ　，图６　输出电压的建立过程　４超小型ＤＣ／ＤＣ稳压电源的设计实例　下面给出一个用ＭＡＸ６８２构成的稳压电路实例。　如图８所示。当输入电压在２．７Ｖ～５．５Ｖ范围内变化　时，能保证输出电压维持在５Ｖ，最大的输出电流能达　到２５０ｍＡ。此外，电路还具有以下特点：电路中只需要　一电源工作频率厂分别设定为２００ｋＨｚ，４００ｋＨｚ，　６００ｋＨｚ。仿真后得输入、输出间的电压关系如图４所　示，和用公式（６）进行计算的结果基本一致。输出、输入　间的电压关系为Ｖ。＝ｋＶ，，近似线性关系。　３．２工作频率变化时对输出电压的影响　设仿真电路及电路元件参数同上，输入电压值为　１０Ｖ、１２Ｖ、１４Ｖ，改变开关电源开关频率，得输出电压　和开关频率之间的关系如图５所示。仿真结果和按公　式（６）计算得出的结果一致，当输入电压发生变化，而　・５８・　个外接电阻ＲＥｘ－ｒ，三个外接电容Ｃ　、Ｃ…Ｃ　，且　ＭＡＸ６８２是一个８引脚的超小型集成电路；ｃ…ｃ　和　ｃ　的容量都很小分别为０．４７ｐ．Ｆ、ｌｐ．Ｆ和０．１ｐ．Ｆ，电阻　Ｒ　ｘ－ｒ的值可取为１５０Ｋ。电源的开关频率最高可达　２ＭＨｚ。　（下转第６ｌ页）　维普资讯 http://www.cqvip.com ＤＥＳ算法。由于ＤＥＳ算法主要使用复杂的移位方式　步提高安全性。　运行，射频智能ＩＣ卡上的ＣＰＵ使用的汇编中备有多　（４）密码分组链接模式能成功抵抗替代篡改攻击，　种移位指令，所以运行速度很快。另外，ＤＥＳ算法加密　系统的安全性依赖于基础的密码算法，而不依赖模式，　和解密可用同一个程序，只要在迭代末尾加个小变化，　尽管模式算法很简单。密码模式不会损害密码算法的　因此编程方便简单。　．　安全性。　５安全性　５．３关于ＤＥＳ算法的安全性　ＤＥＳ算法最大的弱点是密钥长度过短，并且超期　５．１密钥生成、分发过程中的安全性　服役，抵抗穷举搜索攻击已逐渐力不从心，若采用三重　密钥生成、分发过程是由保密人员来操作，应该有　ＤＥＳ算法可在一定程度上解决这个问题。完整的１６　理由信赖。但同时，人的因素也是所有密码系统中最薄　轮ＤＥＳ算法抵抗差分分析能力较强，抵抗线性分析能　弱的环节，大多数安全失败由系统运行时人的工作失　力相对弱一些。可能有一些未曾公开的分析方法对　误引起，而不是算法或协议上的失败。管理服务器由保　ＤＥＳ算法构成威胁，但破译ＤＥＳ算法加密的消息需　密员操作，有多种软硬件锁来防止管理服务器被非法　付出一定代价。总之，对安全性要求很高的系统，最好　开启。工作卡由保密员掌握，工作卡内置逻辑加密功能　不要选用ＤＥＳ算法。　和自毁电路，可以有效防止非法读写。读卡机上的密钥　存储单元也具有逻辑加密和自毁功能。用户卡在做初　６具体系统设计时的注意事项　始化时有电磁屏蔽保护。要想从上述硬件设备上获取　本文给出的系统是一种较全面的方案。在具体应　密钥，代价很高，得不偿失。当然，保护好硬件设备，适　用中可适当作一些化简。总之，射频智能ＩＣ卡门禁系　时更换密钥是提高安全性的重要措施。　统的工作模式、系统大小、安全性、可靠性、系统成本等　５．２抵抗对协议的攻击　因素经常是相互矛盾的。用一种所谓标准系统模式来　（１）本系统的密码协议里，后面的密钥都靠先前的　满足实际中所有要求是不现实的，唯有权衡利弊，根据　消息提供。后面的消息作为所在先前消息的双重认证。　具体情况来选取方案，才能设计出实用系统。重要系统　这意味着某人不能重放一个旧的消息，否则接收者根　的设计方案要经安全专家审核。　本不能将它解密。　参　考　文　献　（２）协议加强了正确性执行。如果鉴别与被鉴别双　方有一个没有正确执行该协议，协议都将终止工作。　１卢ｊＦＦ澄．计算机密码学．北京：清华大学出版社，１９９８　（３）每一次发送的数据均有随机数编人，当发送相　２　（美）Ｂｒｕｃｅ　Ｓｃｈｎｅｉｅｒ著，吴世忠译．应用密码学．北京：机　械工业出版社，２０００　同数据时，每次所传送的密文不会重复。抵抗重放攻击　３　Ｈ卡资安．标准数据加密算法．北京：人民邮电出版社，　有很好的效果。选一个好的伪随机数生成算法，能进一　１９８３　■　《　Ｒ，　矗鬣　ｇ　莲　鉴　敬　落娄　ｉ堂喜　擅≤　０　粤善　矗蛙去　冀　耋式墨　整≤　甚　笠毒鳖袅　￡≤－鲨：　耋　≤竖　盔　：　噬基　监去　警《生：　蛙　’鲨矗蛙蠢　蠢鉴　（上接第５１页）　２　阮新波，严仰光．脉宽调制Ｉ）Ｃ／Ｉ）Ｃ变换器的软开关技术．　参　考　文　献　３　北京：科学出版社，１９９９　李爱文，张承慧．现代逆变技术及其应用．北京：科学出版　１　Ｅｕｎ—Ｓｏｏ　Ｋｉｎ．Ａｎ　Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　Ｓｏｆｔ—Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ＰＷＭ　ＦＢ　ＤＣ／　社，２０００　ＤＣ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｆｏｒ　Ｒｅｄｕｃｉｎｇ　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ　Ｌｏｓｓｅｓ．ＩＥＥＥ　４　王聪．软开关功率变换器及其应用．北京：科学出版社，　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏ１．１　４。Ｎｏ．２，Ｍａｒｃｈ　２０００■　１９９９　ｇ丢墨　堡鑫　矗　；　蛙　蛙毒落　（上接第５８页）　５结束语　电容加电子开关构成的超小型直流电压变换电　源，能实现直流电源电压的升压、降压功能，使用现有　的集成电路，还能方便地构成稳压电源。电路具有体积　ＩＮＰＵＴ　２　７Ｖ～５　小，电压稳定范围大，性能好等优点。特别适用于小型　的、用电池供电的设备，例如，用于单片锂电池驱动白　色背光ＬＥＤ的电路中，以及用于闪速存储器中。　参　考　文　献　图７　超小型稳压电源实用电路　１　叶慧贞，杨兴洲．新颖开关稳压电源．北京：国防工业出版　社，１９９９■　・６１・