近年来VCD向小型化、超薄型发展，便携式VCD/MP3/CD三合一产品也应运而生。这些产品既可以使用电池（干电池或充电电池），也可以连接外部电源适配器使用外部电源。因此，为使机器在不同的供电条件下能正常工作，就需要设计一个DC-DC变换电路。
目前很多便携式VCD机的DC-DC变换电路基本相同。本文结合步步高F9、F11、F15这三款机型，对该类便携式产品的DC-DC变换电路工作原理作详细介绍。
便携式VCD/MP3/CD内部有两套DC-DC变换电路： 一套供给伺服系统的驱动部分，这部分电压不要求很稳定； 另一套供给除伺服系统以外其他集成电路使用，这部分的电压由控制电路稳压，所以要求电压一定要稳定。
本文主要讲述电源及充电电路部分的工作原理（电路中元器件标号参照步步高F9/F11/F15），所以电路原理图中只画出与电源及充电有关的管脚，不涉及的没有画出，这样也便于讲述和理解，DC-DC变换电路如图1所示。
一、降压型变换器
降压型变换器的实际电路如图2所示，这一套DC-DC变换电路没有进行 稳压控制，但要求尽可能省电。
（1）网络标号意义
P_BAT+：直接接电池正极（外接电源适配器经1N4001也连接该网络）；POW-PSW：FAN8038的驱动输出，是PWM脉冲信号； HVCC： 经降压变换器变换后的直流电压（不稳定），输入到FAN8038内部。
（2）工作原理
系统正常工作时，FAN8038输出POW-PSW的驱动电压，脉冲宽度由主轴、滑动、寻迹、聚焦四组输出电压控制，哪一组输出电压低，则表示负载重，就该组电压取样，与内部基准电压比较后控制输出脉冲宽度。当POW-PSW为PWM“低电平”时，VT8（2SA1858）饱和导通，肖特基二极管VD13反偏截止，电感L13励磁、储能；POW-PSW为PWM“高电平”时，VT8截止，肖特基二极管VD13正偏导通（续流），电感L13续流释放能量，HV\(_{CC}\)输入到FAN8038内部，供电给四组（主轴、滑动、寻迹、聚焦）H桥形驱动电路。PWM周期一般在60kHz～120kHz，大小可随FAN8038的9脚外接电容的电容量而改变，接330pF电容时，频率约为95kHz。
二、升压型变换器
升压型变换器的实际电路如图3所示，这一套DC-DC变换电路有稳压控制电路，所以变换后的P_V\(_{DD3}\)电压非常稳定（3.20V）。由于电路复杂，分几个部分介绍如下：
（1）网络标号意义
P\(_{-}\)BAT\(_{+}\)： 连接电池正极； POW-SW：FAN8038的驱动输出，是PWM脉冲信号；P\(_{-}\)V\(_{DD3}\)：升压变换器变换后，再经稳压的电源，供伺服以外的其他集成电路使用。
（2）变压器L12的结构及连接
在这个升压型变换器电路中，变压器L12是电能转换的核心器件。从图3可以看出：其3和8脚是同名端（2和5脚也是同名端），并且2和8脚直接连接。实际设计时初级绕组的电感量为100～120mH，次级绕组的电感量为6～10mH。
（3）工作原理
正常工作时POW-SW端输出脉冲信号，经R82加到VT9基极，当POW-SW为“高电平”时，VT9饱和导通，变压器L12的2、8脚相当于接“地”，变压器L12初级励磁、蓄能，根据同名端可知变压器初级极性为上正下负，次级极性为上负下正。当POW-SW端为“低电平”时，VT9截止，由于电感电流不能突变，所以变压器初、次级电压极性反转，根据同名端可知变压器初级极性为上负下正，次级极性为上正下负。
注：这里所讲的“上负下正”，“上正下负”都是相对谁比谁高而言，并不是对“地”的电压值为“正”或“负”。
为了让读者有一个感性的认识，在VT9导通和截止两种情况下，我们计算一下变压器2、8脚和5脚的电压值与哪些参数有关、大小如何？
① VT9导通
此时变压器2、8脚的电压V2=V8=0，设电源电压是V\(_{DD}\)，此时初级被激励产生反电动势（即感生电压）就等于V\(_{DD}\)，所以，次级感生电压为-M×V\(_{DD}\)（M是次、初级匝数比），即5脚的电压为-M×V\(_{DD}\)，显然此时VT6截止； VT6发射极电压（约3.2V）经VD11，R75给电容C99充电。
② VT9截止
大家知道，升压变换器输出电压V\(_{O}\)=V\(_{I}\)×1/（1-D），那么，变压器2、8脚电压V2=V\(_{DD}\)×1/（1-D），这个值减去电源电压V\(_{DD}\)，即初级感生的附加电压ΔV1=V2-V\(_{DD}\)= V\(_{DD}\)×D/（1-D），而次级感生的附加电压ΔV2可由次、初级绕组的匝比M计算得到， 于是ΔV2=M×ΔV1=V\(_{DD}\)×MD/（1-D），所以变压器5脚电压V5=V\(_{DD}\)+ΔV1+ΔV2=V2+ΔV2=VDD×（1+MD）/（1-D），该电压经电容C99耦合、R3限流后加到VT6基极，所以VT6导通。由此可以看出电容C99的充电和放电路径是不同的，在工作周期的不同时间段充电和放电，使系统得以正常工作。
主电源变换器是升压变换器，而主电源是供给除伺服以外的其他集成电路使用，它要求很稳定，那么它是如何实现稳压的呢？由图1可知，由DC-DC变换后的P\(_{-}\)V\(_{DD3}\)经一支路输入到FAN8038的12脚，由内部比较器与一系列相关电路控制POW-SW端的脉冲宽度，从而使P\(_{-}\)V\(_{DD3}\)稳定在3.2V。
回顾一下前面的分析过程，我们会发现，主电源变换器并不能简单地等效于升压变换器。因为升压变换器只能升压，而主电源变换器既可以变换较“低”电压，也可以变换较“高”电压，但输出一直保持3.2V稳压。实际上，当输入较“高”电压时，如外接适配器供电，三极管VT6工作在放大状态，所以，用适配器供电工作时VT6有点发热； 当输入较“低”电压时（如电池供电），三极管VT6工作在饱和或临界饱和状态——这就是本电路设计的精妙所在，即电池供电时能量充分利用而不是变成无谓的热损耗，延长了电池使用寿命！
从上面的分析中我们还会发现，与其说L12是变压器，倒不如说是电感更确切，因为只有初级真正参与了能量变换，次级仅起对VT6的控制作用，使VT9、VT6工作于互补导通的工作方式。
三、电池充电电路
电池充电部分是FAN8038内部的独立模块，即使FAN8038内部振荡器起振进行DC-DC变换，只要条件满足，依然可以对电池充电。由于对电池充电涉及的条件较多，所以，有必要对相关IC简单介绍一下。
（1）电池电压检测电路
该电路主要由RT9801来完成，其1、5、6脚分别是阈值电压设置端VSET0、VSET2、VSET1，根据这三个脚分别接“高电平”V\(_{DD}\)、“参考电平”P\(_{-}\)BAT\(_{-}\)（电池独立供电时是系统的“地”；外接电源供电时，该脚悬空，是RT9801自己的“参考地”）或悬空可以设定不同的检测阈值，图1中给出三个阈值的选择表（实际阈值是2.9V）。
当电池电压低于设定阈值时，RT9801的3脚输出“参考电平”P\(_{-}\)BAT\(_{-}\)。如果不插入外接电源，P\(_{-}\)BAT\(_{-}\)通过插座的动点接系统“地”，输出的“低电平”就是系统“地”；否则，该脚悬空，输出的“参考电平”就是V\(_{DD}\)-V\(_{BAT}\)（电池电压），无论是哪种情况VT3都会导通，进而VT12也导通，POW\(_{-}\)DET为“低电平”。当电池电压高于设定阈值时，RT9801的3脚输出“高电平”VDD，因此，VT3、VT12都处于截止状态，POW_DET为“高电平”，因此，VT3起电平转移的作用。
在实际使用中，我们并不关心电池工作时RT9801的输出状态，也就是说不理会POW_DET的具体状态，只有外接电源工作且执行充电操作时POW\(_{-}\)DET才有实际意义。
（2）GR2003的作用
紧接上面的讲述，我们发现POW\(_{-}\)DET信号输入给GR2003。GR2003是步步高公司与台湾华帮公司合作开发的内含CPU的LCD驱动集成电路，具有I2C（SDA、SCL）通信功能，可与主CPU进行通信。步步高F9/F11便携式VCD机每台用两片GR2003（线控制器和面板各一个），因它们的识别口连接（接“低电平”或接“高电平”）不同，所以主CPU可以区分它们不同的“地址”。因此，当GR2003识别输入POW\(_{-}\)ET的高、低电平后，再与主CPU（SPCA716）通信传达这一信息，步步高F9/F11机是用面板上的GR2003的一个引脚作为POW_DET的检测口。
为什么不直接用主CPU（SPCA716）的某一个I/O口检测POW\(_{-}\)DET的电平呢？其实原因很简单，主CPU的I/O口不够用了，只好由GR2003“代劳”。
（3）主CPU（SPCA716）的作用
SPCA716是台湾凌阳公司2002年研发成功的超大规模集成电路，内含CPU，具有CD、MP3、VCD三种解码功能，在此仅介绍它与电源管理及电池充电的部分，所以原理框图只简单画出几个功能脚，实际上SPCA716是LQFP封装128脚。
（4）电源启动、停止控制电路
当按下面板或线控器上的START/PLAY按键时，FAN8038开始振荡（其2脚是待机时的供电脚），经两个DC-DC变换电路产生伺服电源和主电源，系统稳定工作；若要关机，按下STOP键后，SPCA716的91脚输出“低电平”给FAN8038的40脚，促使它停止振荡，接着伺服电源和主电源消失。
在正常工作时按START/PLAY键循环切换“暂停”、“播放”功能，GR2003检测到电平变化，然后再与主CPU通信，由主CPU完成相应的控制功能（正常工作时按START/PLAY键对FAN8038并无影响）。因为FAN8038的39脚非常敏感，只要微弱的“拉电流”即可启动，如果没有隔离二极管VD1（1N4148），若插入电源，FAN8038就会振荡工作； 另外，外接电源工作时FAN8038的39脚电压过高（接近电源电压V\(_{DD}\)，适配器电压高达5～6V），为保护GR2003不被损坏，增加VD1非常必要。
（5）电池检测电路（模拟显示电量）
当用电池独立供电时P_BAT-接“地”，FAN8038的1脚电压经内部电阻网络分压后输入比较器（滞回比较器，有50mV回差，防止在阈值上下振荡）正极；若分压电压大于1.2V，内部三极管截止，35脚（EMP）输出“高阻”；分压电压小于1.2V，内部三极管导通，35脚输出“低电平”，由于35脚是集电极开路输出，所以须接上拉电阻（R54/10kΩ），因此主CPU靠检测FAN8038 35脚的电平高低可以判断电池电压的高低。于是，我们就可以设计软件模拟显示电池电量，35脚常为“高”时，电池符号显示三格；35脚不常为“高”也不常为“低”时，电池符号显示两格；35脚常为“低”时，电池符号显示一格。
FAN8038的1脚接不同电阻（与IC内部电阻网络串联，如图4所示）时可以设置阈值的大小，图1中R72为0Ω时，由P\(_{-}\)BAT\(_{+}\)×19/（19+16.5）=1.2V，求解方程得P\(_{-}\)BAT\(_{+}\)≈2.25V，即检测阈值是2.25V；当R72为1.2kΩ时，由P\(_{-}\)BAT\(_{+}\)×19/（19+16.5+1.2）=1.2V，求解方程得P\(_{-}\)BAT\(_{+}\)≈2.32V，即此时的检测阈值是2.32V。由前面分析可知：用FAN8038内部比较器检测电池电压时，最低阈值是2.25V，而最高阈值却没有限制； 但在工程实际中一般不会设置太高，因为无论是充电电池或是碱性电池，其电压在2.20V～2.50V时放电时间持续最长，所以阈值一般设置在2.25V～2.40V之间较为合适。
另外，用外接电源工作时不显示电池符号由软件设计实现，主CPU靠检测49脚的“电平”来判断是电池供电抑或是外接电源供电。
（6）电池充电电路
在停止状态（没有关机）下，按面板AB键时，主CPU的86脚输出“高电平”，这时VT7导通，驱动红色发光二极管VD15，指示“充电”；VT4导通，R54脚一端接“地”，这时外接电源经VD11（1N4001）、电池组、FAN8038的42脚进入IC内部，最后到“系统地”，从而形成回路对电池充电。FAN8038的内部有一个恒流源，电流的大小由33脚外接对“地”电阻值决定。当电源管理集成电路是FAN8038且R54=8.2kΩ，充电电流为140mA，如果是BA5901且R54=2.2kΩ时，充电电流为140mA。所以，这两个IC可以代换，若要求充电电流不变时，调整其33脚外接电阻值即可。
有些公司只简单地在机身上设计一个拨钮，如图1中虚线内，插上外接电源，接通充电开关S，机器即可对电池充电。但电路不能判断出电池盒有无电池、电池电压是高是低、电池何时充满、充满后是否自动切断等情况。
步步高F9/F11/F15这三款机型就没有上述问题，下面介绍工作原理。
当插入外接电源后，POW_DCIN端有电压，控制VT5导通，主CPU判定是外接电源供电，这时对电池充电，系统会执行充电操作程序； 否则，VT5截止，主CPU判定是电池供电，此时即使对电池充电，系统也会很快关机。这样做的目的是： 在用电池工作时不执行充电操作程序，以防误充电。
当电池盒没有电池时，插入外接电源后P_BAT-被悬空，此时P_BAT-电压与P_BAT+基本上相等，根据前面的分析，RT9801的3脚输出“参考地”P_ BAT-，然而P_BAT-实际电压较高，接近P_BAT+电压，因此，VT3、VT12截止，POW_DET端为“高电平”。同理，当电池电压高于2.9V时，根据前面的分析POW_DET端也为“高电平”。这时按充电步骤对电池充电，系统也会很快关机，软件设计判断无电池或电池电压较高时不能充电。如果电池盒有电池，且电池电压低于2.9V，那么，POW_ DET为“低电平”，这种情况下，系统可以正常充电。
因为在正常工作时FAN8038的伺服电流较大，FAN8038有轻微的发热，若再启用充电功能，FAN8038的发热更厉害，有可能导致器件损坏，因此，从安全考虑，在系统设计时要求只有在停止状态下才能执行充电功能。
FAN8038的41脚相当于内部恒流源“使能端”，该脚无电压即无充电电流；FAN8038的33脚是内部恒流源电流大小的设置端，连接不同电阻到“地”设置充电电流（悬空时无充电电流），因此，这两个条件必须同时满足才能对电池进行充电。
步步高F9/F11/F15系列产品用1200mAh方形镍氢充电电池，充电电流设置为140mA，充电终止电压设置为2.9V，一般情况下需8～10小时充满，即充电电压慢慢上升到2.9V，POW_ DET从“低电平”变为“高电平”。主CPU靠判断这一电平变化得知电池充满，然后输出“低电平”控制FAN8038停止工作，随即主电源消失、CPU断电关机，此后VT4一直处于截止状态，R54一端开路，系统也不对电池再次充电，可以防止电池过充电。
（文/葛中海）