一种用于4G通信模块的低压差电源设计方法

戚凯 王银 孙宾 朱龙飞

摘 要：目前，4G通信模块在电力信息采集行业中的应用越来越广泛。根据行业应用特点，要求模块在装置的正常工作电源掉电的情况下，仍具有保持与主站通信1 min以上的能力。因此，4G通信模块通常使用超级电容或充电电池作为备用电源。为延长装置掉电状态下4G通信模块的工作时间，需要使用低压差的电源转换电路将备用电源电压转化为模块工作电压。该文介绍了一种高性价比、高可靠性的低压差开关电源设计方法来实现此需求。

关键词：低压差；开关电源；4G通信模块

中图分类号：TN402 文献标志码：A

0 引言

随着移动通信网络的高速发展及资费的大幅下降，电力系统的用电信息采集网络逐渐开始使用支持全网通模式的4G通信模块。为了提高客户服务水平，电力运营商在用电信息采集系统深化应用方面开展了大量工作，其中台区停上电上报功能是其中的重要功能。为保证集中器在市电供电丢失的情况下，仍能与主站通信3次以上，上报停电事件，要求集中器的备用电源可支持集中器运行1 min以上，因此需使用低压差的供电电路延长备用电源的供电时间。

目前开关电源应用的占空比主要在65%以下，但是，在采用低压差的电源转换电路为4G通信模块供电时，其输出电压近似于输入电压，电源占空比接近100%，导致开关电源开关管大部分时间处于导通状态，而开关周期内开关管的关闭时间很短，从而导致与开关管有关的自举电容的充电时间较短，不能维持开关管导通时所需的电压和能量，进而导致开关电源的输出电压异常，无法维持4G通信模块的正常工作。该文介绍了一种高性价比、高可靠性的低压差开关电源设计方法，在充电模块与开关电源输出管脚自举电容之间增加RD充电线路，从而提高了自举电容充电电压，解决了低压差应用下开关电源输出电壓不稳的问题。经过实际测试，其结果与理论分析相符，证明此开关电源设计方法能够很好地满足应用需求。

1 低压差开关电源电路原理图

在采用低压差的开关电源为4G通信模块供电时，自举电容在开关周期内的充电电压无法满足4G通信模块正常工作的需求。因此，要使充电电容获得足够的电压和能量，就需要增大充电电容两端的电压。该文提出的设计方法中除了开关电源之外还设置有充电模块，该充电模块连接开关电源中与开关管相关的自举电容，为自举电容充电。这样在不改变开关管对自举电容进行充电的时间的情况下，可以使充电电容获得足够的电压和能量，进而可以保证开关管在导通时所需要的电压和能量，保证输出电压正常。并且采用此设计方法可以在开关管导通后，维持较长时间的电荷积累过程，因此不会出现输出电压跌落的异常情况，进一步保证了输出电压正常，以维持4G通信模块的正常工作，从而解决了特殊条件下4G通信模块的供电问题，提高了开关电源的利用效率。

充电模块的实现方式有很多种，该文给出其中2种：

第一种，充电模块包括供电单元和充电线路。供电单元可以是常规的直流电压输出设备；充电线路的一端连接供电单元，另一端连接开关电源中与开关管相关的自举电容。第二种，由于开关电源的电压输入端连接有直流电，因此，可以直接利用开关电源的输入端的直流电为自举电容充电。此时，该充电模块就仅是一条充电线路，该充电线路的一端连接开关电源的电压输入端，另一端连接开关电源中与开关管相关的自举电容。

如图1所示，开关电源芯片为美国芯源公司的MP2315，电源芯片U1内部集成了MOSFET管。电路中VIN节点为开关电源芯片的输入端，输入范围为4.5 V～5 V。为了解决低压差的情况下，开关电源输出电压异常的问题，在电路中增加了一条充电线路（图1中D1、R4），该线路的一端连接开关电源的电压输入VIN端，另一端连接自举电容C4。为了保证为自举电容单向供电，在充电线路上串设有二极管单元。为减小二极管压降，二极管单元由2个二极管同向并联构成。此外，为进一步减小二极管压降，二极管还可采用肖特基类二极管。另外，充电线路上还串设充电电阻R4，用于消除噪声干扰，减小压降，电阻R4可选小阻值电阻。双二极管和电阻R4组成了RD充电线路。

该文分别测试了输入电压为4.5 V，有RD充电线路和无RD充电线路情况下的输出电压。结果表明，无RD充电线路时输出电压较低，而且不稳，有短暂电压跌落情况；而增加RD充电线路后，输出电压稳定为4 V，输出正常。

2 开关电源芯片分析

开关电源在没有RD充电线路的情况下，开关管关断后，电源输入电源VIN经升压调节器及内部二极管为自举电容C4充电，充电电流方向自芯片VIN管脚，经内部升压调节器后至BST管脚，输入电压Vin为4.5 V时，电容C4只能充电至2.8 V。增加RD充电线路后，电源输入VIN经RD充电线路（图1中D1-R4-R5）为自举电容C4充电。由于二极管响应速度快、压降低，自举电容C4能够充电至3.8 V，储存更多能量，从而可以保证开关管的正常导通，进而保证输出电压正常。并且，在开关管导通后能维持较长时间的电荷积累过程，不会出现输出电压跌落的异常情况。因此，在开关电源装置中增加RD充电线路，可以提高自举电容C4两端的电压，解决了开关电源低压差状态下输出电压不稳定的问题，保证为4G通信模块提供稳定的工作电压。

3 关键器件参数计算

3.1 储能电感L1的参数计算

4 结语

该文提出的低压差开关电源设计方法，通过在充电模块与开关电源输出管脚自举电容之间增加RD充电线路，从而提高了自举电容的充电电压，解决了开关电源低压差应用下输出电压不稳的问题。实验结果表明，在4G模块大电流通信情况下，低压差开关电源可以满足4G模块稳定工作的需求，且电路实现简单，具有很强的实用性。

参考文献

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