搞定DC-DC電源轉換電路設計方案的11個(gè)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(jìn)行系統設計，到了給電源系統供電，雖然也能讓其精心設計的程序運行起來(lái)，但對于新手來(lái)說(shuō)，有時(shí)可能效率低下，往往還有供電電流不足或過(guò)大引起這樣那樣的問(wèn)題，本文11個(gè)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(chēng)為DC-DC轉換電路，其主要功能就是進(jìn)行輸入輸出電壓轉換。一般我們把輸入電源電壓在72V以?xún)鹊碾妷鹤儞Q過(guò)程稱(chēng)為DC-DC轉換。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(lǐng)域規律不同，如PC中常用的是12V、5V、3.3V，模擬電路電源常用5V 15V，數字電路常用3.3V等，現在的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轉換電路分類(lèi)
DC-DC轉換電路主要分為以下三大類(lèi)：
1 穩壓管穩壓電路。②線(xiàn)性 (模擬)穩壓電路。③開(kāi)關(guān)型穩壓電路
03 最簡(jiǎn)單的穩壓管電路設計方案
穩壓管穩壓電路電路結構簡(jiǎn)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)型穩壓電路，其電路簡(jiǎn)圖如圖(1)所示：
選擇穩壓管時(shí)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(jiǎn)單，可以抑制輸入電壓的擾動(dòng)，但由于受到穩壓管最大工作電流限制，同時(shí)輸出電壓又不能任意調節，因此該電路適應于輸出電壓不需調節，負載電流小，要求不高的場(chǎng)合，該電路常用作對供電電壓要求不高的芯片供電。
04 基準電壓源芯片穩壓電路
穩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(shí)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，有良好的熱穩定性能的三端可調分流基準電壓源。它的輸出電壓用兩個(gè)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(shí)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(shí)，Vo=5V。
其他的幾個(gè)基準電壓源芯片電路類(lèi)似。
05 串聯(lián)型穩壓電源的電路認識
串聯(lián)型穩壓電路屬直流穩壓電源中的一種，其實(shí)是在三端穩壓器出現之前比較常用的直流供電方法，在三端穩壓器出現之前，串聯(lián)穩壓器通常有OP放大器和穩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壓器的基本原理，其實(shí)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)型穩壓電路做組成的直流穩壓電源處理不當，極易產(chǎn)生振蕩�，F在沒(méi)有一定模擬功底的工程師，一般現在不用這種方法，而是直接采用集成的三端穩壓電路，進(jìn)行DC-DC轉換電路的使用。
06 線(xiàn)性(模擬)集成穩壓電路常用設計方案
線(xiàn)性穩壓電路設計方案主要以三端集成穩壓器為主。三端穩壓器，主要有兩種：
一種輸出電壓是固定的，稱(chēng)為固定輸出三端穩壓器，三端穩壓器的通用產(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(gè)數字代表，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)區分。L表示0.1A，M表示0.5A，無(wú)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(xiàn)性穩壓電路，稱(chēng)為可調輸出三端穩壓器，這類(lèi)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)型穩壓電路。在線(xiàn)性集成穩壓器中，由于三端穩壓器只有三個(gè)引出端子，具有外接元件少，使用方便，性能穩定，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應用。
07 DCDC轉換開(kāi)關(guān)型穩壓電路設計方案
上面所述的幾種DCDC轉換電路都屬于串聯(lián)反饋式穩壓電路，在此種工作模式中集成穩壓器中調整管工作在線(xiàn)性放大狀態(tài)，因此當負載電流大時(shí)，損耗比較大，即轉換效率不高。因此使用集成穩壓器的電源電路功率都不會(huì )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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源與隔離式的開(kāi)關(guān)電源電路。
DCDC轉換開(kāi)關(guān)型穩壓電路設計方案，采用開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源與隔離式的開(kāi)關(guān)電源電路。當然開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)轉換集成電路芯片電路設計方案
DCDC開(kāi)關(guān)轉換集成電路芯片，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至5V，上調至40V，最大輸出電流可達2.5A(還可以接大功率開(kāi)關(guān)管進(jìn)行擴流)，并且內設完善的保護功能，如過(guò)流保護、過(guò)熱保護等。
盡管L4960的使用方法與LM317差不多，但開(kāi)關(guān)電源的L4960與線(xiàn)性電源的LM317相比，效率不可同曰而語(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(shí)，廠(chǎng)家都會(huì )詳細的使用說(shuō)明和典型電路供參考。
09 隔離的DCDC開(kāi)關(guān)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(lèi)：
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(lèi)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(dòng)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(jiǎn)單，效率高，輸入電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)�？刂齐娐肥钦麄�(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，與前面幾種設計方案相比電路結構復雜，元器件參數確定比較困難，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。
010 DCDC開(kāi)關(guān)集成電源模塊方案
很多微處理器和數字信號處理器(DSP)都需要內核電源和一個(gè)輸入/輸出(I/O)電源，這些電源在啟動(dòng)時(shí)必須排序。設計師們必須考慮在加電和斷電操作時(shí)內核和I/O電壓源的相對電壓和時(shí)序，以符合制造商規定的性能規格。
如果沒(méi)有正確的電源排序，就可能出現閉鎖或過(guò)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)、現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)或數據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(dòng)I/O負載，內核電源和I/O電源跟蹤是必需的。
現在有專(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，主要是那些對除去常規電性能指標以外，對其體積小，功率密度高，轉換效率高，發(fā)熱少，平均無(wú)故障工作時(shí)間長(cháng)，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(shí)現即插即用(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(gè)不同的組件。這樣就簡(jiǎn)化了集成并加速了設計，同時(shí)可減少電源管理部分的占板空間。
最傳統和最常見(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計復雜性方面取得了進(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電源轉換的穩壓管穩壓、線(xiàn)性(模擬)穩壓、DCDC開(kāi)關(guān)型穩壓三種電路模式的幾種常用的設計方法方案。
①需要注意的是穩壓管穩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(xiàn)性穩壓電路電路結構簡(jiǎn)單，但由于轉化效率低，因此只能用于小功率穩壓電源中；
③開(kāi)關(guān)型穩壓電路轉化效率高，可以應用在大功率場(chǎng)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(guò)程中，可根據實(shí)際需要選擇合適的設計方案。 |
