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11個金律輕松搞定DCDC電源轉換電路設計
發(fā)布時間：2024-03-21 14:46:39 瀏覽：436次
搞定DC-DC電源轉換電路設計方案的11個黃金定律。
搞嵌入式的工程師們往往把單片機、ARM、DSP、FPGA搞的得心應手，而一旦進行系統(tǒng)設計，到了給電源系統(tǒng)供電，雖然也能讓其精心設計的程序運行起來，但對于新手來說，有時可能效率低下，往往還有供電電流不足或過大引起這樣那樣的問題，本文11個金律輕松搞定DCDC電源轉換電路設計。
01 搞懂DC-DC電源怎么回事
DC-DC電源電路又稱為DC-DC轉換電路，其主要功能就是進行輸入輸出電壓轉換。一般我們把輸入電源電壓在72V以內的電壓變換過程稱為DC-DC轉換。常見的電源主要分為車載與通訊系列和通用工業(yè)與消費系列，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。不同應用領域規(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)中也稱二次電源，它是由一次電源或直流電池組提供一個直流輸入電壓，經(jīng)DC-DC變換以后在輸出端獲一個或幾個直流電壓。
02 需要知道的DC-DC轉換電路分類
DC-DC轉換電路主要分為以下三大類：
1 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路。②線性 (模擬)穩(wěn)壓電路。③開關型穩(wěn)壓電路
03 最簡單的穩(wěn)壓管電路設計方案
穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路電路結構簡單，但是帶負載能力差，輸出功率小，一般只為芯片提供基準電壓，不做電源使用。比較常用的是并聯(lián)型穩(wěn)壓電路，其電路簡圖如圖(1)所示：
選擇穩(wěn)壓管時一般可按下述式子估算：(1) Uz=Vout；(2)Izmax=(1.5-3)ILmax (3)Vin=(2-3)Vout 這種電路結構簡單，可以抑制輸入電壓的擾動，但由于受到穩(wěn)壓管最大工作電流限制，同時輸出電壓又不能任意調節(jié)，因此該電路適應于輸出電壓不需調節(jié)，負載電流小，要求不高的場合，該電路常用作對供電電壓要求不高的芯片供電。
04 基準電壓源芯片穩(wěn)壓電路
穩(wěn)壓電路的另一種形式，有些芯片對供電電壓要求比較高，例如AD DA芯片的基準電壓等，這時常用的一些電壓基準芯片如TL431、 MC1403 ，REF02等。TL431是最常用基準源芯片，有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調分流基準電壓源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設置到從Vref(2.5V)到36V范圍內的任何值。最常用的電路應用如下圖示，此時Vo=(1+R1/R2)Vref。選擇不同的R1和R2的值可以得到從2.5V到36V范圍內的任意電壓輸出，特別地，當R1=R2時，Vo=5V。
其他的幾個基準電壓源芯片電路類似。
05 串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的電路認識
串聯(lián)型穩(wěn)壓電路屬直流穩(wěn)壓電源中的一種，其實是在三端穩(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)壓二極管構成誤差檢測電路，如下圖，該電路中，OP放大器的反向輸入端子與輸出電壓的檢測信號相連。
正向輸入端子與基準電壓Vref相連，Vs=Vout*R2/(R1+R2).由于放大信號ΔVs為負值，控制晶體管的基級電壓下降，因此輸出電壓減小在正常情況下，必有Vref=Vs=Vout*R2/(R1+R2)，調整R1，R2之比可設定所需要的輸出電壓值。
圖中所示只是這也是三端穩(wěn)壓器的基本原理，其實負載大小可以可以把三極管換成達林頓管等等，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，極易產(chǎn)生振蕩?，F(xiàn)在沒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，進行DC-DC轉換電路的使用。
06 線性(模擬)集成穩(wěn)壓電路常用設計方案
線性穩(wěn)壓電路設計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(負電源)，輸出電壓由具體型號中的后面兩個數(shù)字代表，有5V，6V，8V，9V，12V，15V，18V，24V等檔次。輸出電流以78(或79)后面加字母來區(qū)分。L表示0.1A，M表示0.5A，無字母表示1.5A，如78L05表求5V 0.1A。
另一種輸出電壓是可調的線性穩(wěn)壓電路，稱為可調輸出三端穩(wěn)壓器，這類芯片代表是是LM317(正輸出)和LM337(負輸出)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，輸出電流為0.5-1.5A，輸出端與調整端之間電壓在1.25V，調整端靜態(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)壓器只有三個引出端子，具有外接元件少，使用方便，性能穩(wěn)定，價格低廉等優(yōu)點，因而得到廣泛應用。
07 DCDC轉換開關型穩(wěn)壓電路設計方案
上面所述的幾種DCDC轉換電路都屬于串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路，在此種工作模式中集成穩(wěn)壓器中調整管工作在線性放大狀態(tài)，因此當負載電流大時，損耗比較大，即轉換效率不高。因此使用集成穩(wěn)壓器的電源電路功率都不會很大，一般只有2-3W，這種設計方案僅適合于小功率電源電路。
采用開關電源芯片設計的DCDC轉換電路轉化效率高，適用于較大功率電源電路。目前得到了廣泛的應用，常用的分為非隔離式的開關電源與隔離式的開關電源電路。
DCDC轉換開關型穩(wěn)壓電路設計方案，采用開關電源芯片設計的DCDC轉換電路轉化效率高，適用于較大功率電源電路。目前得到了廣泛的應用，常用的分為非隔離式的開關電源與隔離式的開關電源電路。當然開關電源基本的拓撲包括降壓型、升壓型、升降壓型及反激、正激、橋式變化等等。
08 非隔離式DCDC開關轉換集成電路芯片電路設計方案
DCDC開關轉換集成電路芯片，這類芯片的使用方法與第六條中的LM317非常相似，這里用L4960舉例說明，一般是先使用50Hz電源變壓器進行AC-AC變換，將～220V降至開關電源集成轉換芯片輸入電壓范圍比如1.2～34V，由L4960進行DC-DC變換，這時輸出電壓的變化范圍下可調至5V，上調至40V，最大輸出電流可達2.5A(還可以接大功率開關管進行擴流)，并且內設完善的保護功能，如過流保護、過熱保護等。
盡管L4960的使用方法與LM317差不多，但開關電源的L4960與線性電源的LM317相比，效率不可同曰而語，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4A，且具有更多的保護功能，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，廠家都會詳細的使用說明和典型電路供參考。
09 隔離的DCDC開關電源模塊電路設計方案
常用的隔離DC-DC轉換主要分為三大類：
1.反激式變換；2.正激式變換；3.橋式變換
常用的單端反激式DC-DC變換電路，這類隔離的控制芯片型號也不少?？刂菩酒湫痛硎浅Ｓ玫腢C3842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轉換電路。其主要應用原理是：電路由主電路、控制電路、啟動電路和反饋電路4 部分組成。
主電路采用單端反激式拓撲，它是升降壓斬波電路演變后加隔離變壓器構成的，該電路具有結構簡單，效率高，輸入電壓范圍寬等優(yōu)點?？刂齐娐肥钦麄€開關電源的核心，控制的好壞直接決定了電源整體性能。這個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，與前面幾種設計方案相比電路結構復雜，元器件參數(shù)確定比較困難，開發(fā)成本較高，因此需要此方案時可以優(yōu)先選擇市面上比較廉價的DC-DC隔離模塊。
010 DCDC開關集成電源模塊方案
很多微處理器和數(shù)字信號處理器(DSP)都需要內核電源和一個輸入/輸出(I/O)電源，這些電源在啟動時必須排序。設計師們必須考慮在加電和斷電操作時內核和I/O電壓源的相對電壓和時序，以符合制造商規(guī)定的性能規(guī)格。
如果沒有正確的電源排序，就可能出現(xiàn)閉鎖或過高的電流消耗，這可能導致微處理器I/O端口或存儲器、可編程邏輯器件(PLD)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或數(shù)據(jù)轉換器等支持器件的I/O端口損壞。為了確保內核電壓正確偏置之前不驅動I/O負載，內核電源和I/O電源跟蹤是必需的。
現(xiàn)在有專門的電源模塊公司量身定做 一些專用的開關電源模塊，主要是那些對除去常規(guī)電性能指標以外，對其體積小，功率密度高，轉換效率高，發(fā)熱少，平均無故障工作時間長，可靠性好，更低成本更高性能的DC-DC電源模塊。
這些模塊結合了實現(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40個不同的組件。這樣就簡化了集成并加速了設計，同時可減少電源管理部分的占板空間。
最傳統(tǒng)和最常見的非隔離式DC-DC電源模塊仍是單列直插(SiP)封裝。這些開放框架的解決方案的確在減少設計復雜性方面取得了進展。然而，最簡單的是在印刷電路板上使用標準封裝的組件。
011. DCDC電源轉換方案的選擇注意事項
本條金律也是本文的總結，很重要。本文這里主要大致介紹了DCDC電源轉換的穩(wěn)壓管穩(wěn)壓、線性(模擬)穩(wěn)壓、DCDC開關型穩(wěn)壓三種電路模式的幾種常用的設計方法方案。
①需要注意的是穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路不能做電源使用，只能用于沒有功率要求的芯片供電；
②線性穩(wěn)壓電路電路結構簡單，但由于轉化效率低，因此只能用于小功率穩(wěn)壓電源中；
③開關型穩(wěn)壓電路轉化效率高，可以應用在大功率場合，但其局限性在電路結構相對復雜(尤其是大功率電路)，不利于小型化。因此在設計過程中，可根據(jù)實際需要選擇合適的設計方案。
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