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  • 輕松搞定DC電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)的11條法則
    • 發(fā)布時(shí)間:2020-12-18 15:02:47
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    輕松搞定DC電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)的11條法則
    搞懂DC/DC電源怎么回事
    DC/DC電源電路又稱(chēng)為DC/DC轉(zhuǎn)換電路,其主要功能就是進(jìn)行輸入輸出電壓轉(zhuǎn)換。一般我們把輸入電源電壓在72V以?xún)?nèi)的電壓變換過(guò)程稱(chēng)為DC/DC轉(zhuǎn)換。常見(jiàn)的電源主要分為車(chē)載與通訊系列和通用工業(yè)與消費(fèi)系列,前者的使用的電壓一般為48V、36V、24V等,后者使用的電源電壓一般在24V以下。
    不同應(yīng)用領(lǐng)域規(guī)律不同,如PC中常用的是12V、5V、3.3V,模擬電路電源常用5V 15V,數(shù)字電路常用3.3V等,現(xiàn)在的FPGA、DSP還用2V以下的電壓,諸如1.8V、1.5V、1.2V等。在通信系統(tǒng)中也稱(chēng)二次電源,它是由一次電源或直流電池組提供一個(gè)直流輸入電壓,經(jīng)DC/DC變換以后在輸出端獲一個(gè)或幾個(gè)直流電壓。
    02
    需要知道的DC/DC轉(zhuǎn)換電路分類(lèi)
    DC/DC轉(zhuǎn)換電路主要分為以下三大類(lèi):
    穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路。
    線性 (模擬)穩(wěn)壓電路。
    開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路
    03
    最簡(jiǎn)單的穩(wěn)壓管電路設(shè)計(jì)方案
    穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但是帶負(fù)載能力差,輸出功率小,一般只為芯片提供基準(zhǔn)電壓,不做電源使用。比較常用的是并聯(lián)型穩(wěn)壓電路,其電路簡(jiǎn)圖如圖1所示。
    DC電源轉(zhuǎn)換電路
    圖1
    選擇穩(wěn)壓管時(shí)一般可按下述式子估算:
    Uz=Vout
    Izmax=(1.5-3)ILmax
    Vin=(2-3)Vout
    這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可以抑制輸入電壓的擾動(dòng);但由于受到穩(wěn)壓管最大工作電流限制,同時(shí)輸出電壓又不能任意調(diào)節(jié);因此該電路適應(yīng)于輸出電壓不需調(diào)節(jié),負(fù)載電流小,要求不高的場(chǎng)合。該電路常用作對(duì)供電電壓要求不高的芯片供電。
    04
    基準(zhǔn)電壓源芯片穩(wěn)壓電路
    穩(wěn)壓電路的另一種形式,有些芯片對(duì)供電電壓要求比較高,例如AD/DA芯片的基準(zhǔn)電壓等,這時(shí)常用的一些電壓基準(zhǔn)芯片如TL431、MC1403、REF02等。
    TL431是最常用基準(zhǔn)源芯片,有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref(2.5V)到36V范圍內(nèi)的任何值。最常用的電路應(yīng)用如圖2所示,此時(shí)Vo=(1+R1/R2)Vref。
    DC電源轉(zhuǎn)換電路
    圖2
    選擇不同的R1和R2的值,可以得到從2.5V到36V范圍內(nèi)的任意電壓輸出。特別地,當(dāng)R1=R2時(shí),Vo=5V。
    其他的幾個(gè)基準(zhǔn)電壓源芯片電路類(lèi)似。
    05
    串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的電路認(rèn)識(shí)
    串聯(lián)型穩(wěn)壓電路屬直流穩(wěn)壓電源中的一種,其實(shí)是在三端穩(wěn)壓器出現(xiàn)之前比較常用的直流供電方法,在三端穩(wěn)壓器出現(xiàn)之前,串聯(lián)穩(wěn)壓器通常有OP放大器和穩(wěn)壓二極管構(gòu)成誤差檢測(cè)電路,如圖3,該電路中,OP放大器的反向輸入端子與輸出電壓的檢測(cè)信號(hào)相連,正向輸入端子與基準(zhǔn)電壓Vref相連,Vs=Vout*R2/(R1+R2).由于放大信號(hào)ΔVs為負(fù)值,控制晶體管的基級(jí)電壓下降,因此輸出電壓減小在正常情況下,必有Vref=Vs=Vout*R2/(R1+R2),調(diào)整R1,R2之比可設(shè)定所需要的輸出電壓值。
    DC電源轉(zhuǎn)換電路
    圖3
    圖中所示只是三端穩(wěn)壓器的基本原理,其實(shí)負(fù)載大小可以可以把三極管換成達(dá)林頓管等等,這種串聯(lián)型穩(wěn)壓電路做組成的直流穩(wěn)壓電源處理不當(dāng),極易產(chǎn)生振蕩。現(xiàn)在沒(méi)有一定模擬功底的工程師,一般現(xiàn)在不用這種方法,而是直接采用集成的三端穩(wěn)壓電路,進(jìn)行DC/DC轉(zhuǎn)換電路的使用。
    06
    線性(模擬)集成穩(wěn)壓電路常用設(shè)計(jì)方案
    線性穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)方案主要以三端集成穩(wěn)壓器為主。
    三端穩(wěn)壓器,主要有兩種:
    一種輸出電壓是固定的,稱(chēng)為固定輸出三端穩(wěn)壓器 ,三端穩(wěn)壓器的通用產(chǎn)品有78系列(正電源)和79系列(負(fù)電源),輸出電壓由具體型號(hào)中的后面兩個(gè)數(shù)字代表,有5V,6V,8V,9V,12V,15V,18V,24V等檔次。輸出電流以78(或79)后面加字母來(lái)區(qū)分。L表示0.1A,M表示0.5A,無(wú)字母表示1.5A,如78L05表示5V 0.1A。
    另一種輸出電壓是可調(diào)的線性穩(wěn)壓電路,稱(chēng)為可調(diào)輸出三端穩(wěn)壓器 ,這類(lèi)芯片代表是是LM317(正輸出)和LM337(負(fù)輸出)系列。其最大輸入輸出極限差值在40V,輸出電壓為1.2V-35V(-1.2V–35V)連續(xù)可調(diào),輸出電流為0.5-1.5A,輸出端與調(diào)整端之間電壓在1.25V,調(diào)整端靜態(tài)電流為50uA。
    其基本原理相同,均采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。在線性集成穩(wěn)壓器中,由于三端穩(wěn)壓器只有三個(gè)引出端子,具有外接元件少,使用方便,性能穩(wěn)定,價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),因而得到廣泛應(yīng)用。
    07
    DC/DC轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)方案
    上面所述的幾種DC/DC轉(zhuǎn)換電路都屬于串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路,在此種工作模式中集成穩(wěn)壓器中調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài),因此當(dāng)負(fù)載電流大時(shí),損耗比較大,即轉(zhuǎn)換效率不高。因此使用集成穩(wěn)壓器的電源電路功率都不會(huì)很大,一般只有2~3W,這種設(shè)計(jì)方案僅適合于小功率電源電路。
    采用開(kāi)關(guān)電源芯片設(shè)計(jì)的DCDC轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化效率高,適用于較大功率電源電路。目前得到了廣泛的應(yīng)用,常用的分為非隔離式的開(kāi)關(guān)電源與隔離式的開(kāi)關(guān)電源電路。
    DCDC轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)方案,采用開(kāi)關(guān)電源芯片設(shè)計(jì)的DCDC轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化效率高,適用于較大功率電源電路。目前得到了廣泛的應(yīng)用,常用的分為非隔離式的開(kāi)關(guān)電源與隔離式的開(kāi)關(guān)電源電路。當(dāng)然開(kāi)關(guān)電源基本的拓?fù)浒ń祲盒汀⑸龎盒汀⑸祲盒图胺醇ぁ⒄ぁ蚴阶兓鹊取?/div>
    08
    非隔離式DC/DC開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換集成電路芯片電路設(shè)計(jì)方案
    DCDC開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換集成電路芯片,這類(lèi)芯片的使用方法與第六條中的LM317非常相似,這里用L4960舉例說(shuō)明。
    一般是先使用50Hz電源變壓器進(jìn)行AC-AC變換,將220V降至開(kāi)關(guān)電源集成轉(zhuǎn)換芯片輸入電壓范圍比如1.2~34V,由L4960進(jìn)行DC-DC變換;這時(shí)輸出電壓的變化范圍下可調(diào)至5V,上調(diào)至40V,最大輸出電流可達(dá)2.5A(還可以接大功率開(kāi)關(guān)管進(jìn)行擴(kuò)流),并且內(nèi)設(shè)完善的保護(hù)功能,如過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等。
    盡管L4960的使用方法與LM317差不多,但開(kāi)關(guān)電源的L4960與線性電源的LM317相比,效率不可同日而語(yǔ);L4960最大可輸出100W的功率(Pmax=40V*2.5A=100W),但本身最多只消耗7W,所以散熱器很小,制作容易。
    與L4960類(lèi)似的還有L296,其基本參數(shù)與L4960相同,只是最大輸出電流可高達(dá)4A,且具有更多的保護(hù)功能,封裝形式也不一樣。這樣的芯片比較多,比如,LM2576系列,TPS54350,LTC3770等等。一般在使用這些芯片時(shí),廠家都會(huì)詳細(xì)的使用說(shuō)明和典型電路供參考。
    09
    隔離的DC/DC開(kāi)關(guān)電源模塊電路設(shè)計(jì)方案
    常用的隔離DC/DC轉(zhuǎn)換主要分為三大類(lèi):反激式變換、正激式變換、橋式變換。
    常用的單端反激式DC/DC變換電路,這類(lèi)隔離的控制芯片型號(hào)也不少。控制芯片典型代表是常用的UC3842系列。這種是高性能固定頻率電流的控制器,主要用于隔離AC/DC、DC/DC轉(zhuǎn)換電路。
    其主要應(yīng)用原理是:電路由主電路、控制電路、啟動(dòng)電路和反饋電路四部分組成。
    主電路采用單端反激式拓?fù)洌巧祲簲夭娐费葑兒蠹痈綦x變壓器構(gòu)成的,該電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 效率高, 輸入電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。控制電路是整個(gè)開(kāi)關(guān)電源的核心,控制的好壞直接決定了電源整體性能。這個(gè)電路采用峰值電流型雙環(huán)控制,即在電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)中加入峰值電流反饋控制。
    這類(lèi)方案選擇合適的變壓器及MOS管可以把功率做的很大,與前面幾種設(shè)計(jì)方案相比電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,元器件參數(shù)確定比較困難,開(kāi)發(fā)成本較高,因此需要此方案時(shí)可以?xún)?yōu)先選擇市面上比較廉價(jià)的DC/DC隔離模塊。
    10
    DC/DC開(kāi)關(guān)集成電源模塊方案
    很多微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)都需要內(nèi)核電源和一個(gè)輸入/輸出(I/O)電源,這些電源在啟動(dòng)時(shí)必須排序。設(shè)計(jì)師們必須考慮在加電和斷電操作時(shí)內(nèi)核和I/O電壓源的相對(duì)電壓和時(shí)序,以符合制造商規(guī)定的性能規(guī)格。
    如果沒(méi)有正確的電源排序,就可能出現(xiàn)閉鎖或過(guò)高的電流消耗,這可能導(dǎo)致微處理器I/O端口或存儲(chǔ)器、可編程邏輯器件(PLD)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等支持器件的I/O端口損壞。為了確保內(nèi)核電壓正確偏置之前不驅(qū)動(dòng)I/O負(fù)載,內(nèi)核電源和I/O電源跟蹤是必需的。
    現(xiàn)在有專(zhuān)門(mén)的電源模塊公司量身定做一些專(zhuān)用的開(kāi)關(guān)電源模塊,主要是那些對(duì)除去常規(guī)電性能指標(biāo)以外,對(duì)其體積小,功率密度高,轉(zhuǎn)換效率高,發(fā)熱少,平均無(wú)故障工作時(shí)間長(zhǎng),可靠性好,更低成本更高性能的DC/DC電源模塊。這些模塊結(jié)合了實(shí)現(xiàn)即插即用(plug-and-play)解決方案所需的大部分或全部組件,可以取代多達(dá)40個(gè)不同的組件。這樣就簡(jiǎn)化了集成并加速了設(shè)計(jì),同時(shí)可減少電源管理部分的占板空間。
    最傳統(tǒng)和最常見(jiàn)的非隔離式DC/DC電源模塊仍是單列直插(SiP)封裝。這些開(kāi)放框架的解決方案的確在減少設(shè)計(jì)復(fù)雜性方面取得了進(jìn)展。然而,最簡(jiǎn)單的是在印刷電路板上使用標(biāo)準(zhǔn)封裝的組件。
    11
    DC/DC電源轉(zhuǎn)換方案的選擇注意事項(xiàng)
    本條金律也是本文的總結(jié),很重要。
    本文這里主要大致介紹了DCDC電源轉(zhuǎn)換的穩(wěn)壓管穩(wěn)壓、線性(模擬)穩(wěn)壓、DCDC開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓,三種電路模式的幾種常用的設(shè)計(jì)方法方案。
    (1)需要注意的是穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路不能做電源使用,只能用于沒(méi)有功率要求的芯片供電。
    (2)線性穩(wěn)壓電路電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但由于轉(zhuǎn)化效率低,因此只能用于小功率穩(wěn)壓電源中。
    (3)開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)化效率高,可以應(yīng)用在大功率場(chǎng)合,但其局限性在電路結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜(尤其是大功率電路),不利于小型化。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中,可根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的設(shè)計(jì)方案。
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