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              11個金律輕松搞定DCDC電源轉換電路設計

              電源研發精英圈 ? 來源:電源研發精英圈 ? 2024-01-02 10:51 ? 次閱讀

              搞定DC-DC電源轉換電路設計方案的11個黃金定律。

              嵌入式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,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 穩壓管穩壓電路。②線性 (模擬)穩壓電路。③開關型穩壓電路

              03

              最簡單的穩壓管電路設計方案

              穩壓管穩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。比較常用的是并聯型穩壓電路,其電路簡圖如圖(1)所示:

              b260a9f8-a6ea-11ee-8b88-92fbcf53809c.jpg

              選擇穩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,但由于受到穩壓管最大工作電流限制,同時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。

              b2694874-a6ea-11ee-8b88-92fbcf53809c.jpg

              其他的幾個基準電壓源芯片電路類似。

              05

              串聯型穩壓電源的電路認識

              串聯型穩壓電路屬直流穩壓電源中的一種,其實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,串聯穩壓器通常有OP放大器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,其實負載大小可以可以把三極管換成達林頓管等等,這種串聯型穩壓電路做組成的直流穩壓電源處理不當,極易產生振蕩?,F在沒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,進行DC-DC轉換電路的使用。

              b2715118-a6ea-11ee-8b88-92fbcf53809c.jpg

              06

              線性(模擬)集成穩壓電路常用設計方案

              線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,稱為固定輸出三端穩壓器,三端穩壓器的通用產品有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壓電路,稱為可調輸出三端穩壓器,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,調整端靜態電流為50uA。

              其基本原理相同,均采用串聯型穩壓電路。在線性集成穩壓器中,由于三端穩壓器只有三個引出端子,具有外接元件少,使用方便,性能穩定,價格低廉等優點,因而得到廣泛應用。

              07

              DCDC轉換開關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性放大狀態,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控制,即在電壓閉環控制系統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,元器件參數確定比較困難,開發成本較高,因此需要此方案時可以優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

              很多微處理器數字信號處理器(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,以符合制造商規定的性能規格。

              如果沒有正確的電源排序,就可能出現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)、現場可編程門陣列(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I/O負載,內核電源和I/O電源跟蹤是必需的。

              現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電性能指標以外,對其體積小,功率密度高,轉換效率高,發熱少,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電源轉換的穩壓管穩壓、線性(模擬)穩壓、DCDC開關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,只能用于沒有功率要求的芯片供電;

              ②線性穩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壓電源中;

              ③開關型穩壓電路轉化效率高,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,可根據實際需要選擇合適的設計方案。







              審核編輯:劉清

              聲明:本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內容侵權或者其他違規問題,請聯系本站處理。 舉報投訴
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              原文標題:11個黃金定律!輕松搞定DC-DC電源轉換電路設計

              文章出處:【微信號:dianyuankaifa,微信公眾號:電源研發精英圈】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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