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【转】想轻松搞定DC/DC电源转换方案设计 一定要知道这11条金律

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高级工程师
  • 2018-7-11 13:47:39



搞嵌入式的工程师们往往把单片机、ARM、DSP、FPGA搞的得心应手,而一旦进行系统设计,到了给电源系统供电,虽然也能让其精心设计的程序运行起来,但对于新手来说,有时可能效率低下,往往还有供电电流不足或过大引起这样那样的问题,本文十一条金律轻松搞定DCDC电源转换电路设计。
  第一条、搞懂DC/DC电源怎么回事
  DC/DC电源电路又称为DC/DC转换电路,其主要功能就是进行输入输出电压转换。一般我们把输入电源电压在72V以内的电压变换过程称为DC/DC转换。常见的电源主要分为车载与通讯系列和通用工业与消费系列,前者的使用的电压一般为48V、36V、24V等,后者使用的电源电压一般在24V以下。不同应用领域规律不同,如PC中常用的是12V、5V、3.3V,模拟电路电源常用5V 15V,数字电路常用3.3V等,现在的FPGA、DSP还用2V以下的电压,诸如1.8V、1.5V、1.2V等。在通信系统中也称二次电源,它是由一次电源或直流电池组提供一个直流输入电压,经DC/DC变换以后在输出端获一个或几个直流电压。
  第二条、需要知道 的DC/DC转换电路分类
  DC/DC转换电路主要分为以下三大类:
  ①稳压管稳压电路。 ②线性 (模拟)稳压电路。 ③开关型稳压电路
  第三条、最简单的 稳压管电路设计方案
  稳压管稳压电路电路结构简单,但是带负载能力差,输出功率小,一般只为芯片提供基准电压,不做电源使用。比较常用的是并联型稳压电路,其电路简图如图(1)所示,

选择稳压管时一般可按下述式子估算: (1) Uz=Vout; (2)Izmax=(1.5-3)ILmax (3)Vin=(2-3)Vout 这种电路结构简单,可以抑制输入电压的扰动,但由于受到稳压管最大工作电流限制,同时输出电压又不能任意调节,因此该电路适应于输出电压不需调节,负载电流小,要求不高的场合,该电路常用作对供电电压要求不高的芯片供电。
  第四条、基准电压源芯片稳压电路
  稳压电路的另一种形式,有些芯片对供电电压要求比较高,例如AD DA芯片的基准电压等,这时常用的一些电压基准芯片如TL431、 MC1403 ,REF02等。TL431是最常用基准源芯片,有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref(2.5V)到36V范围内的任何值。最常用的电路应用如下图示,此时Vo=(1+R1/R2)Vref。选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出,特别地,当R1=R2时,Vo=5V。

其他的几个基准电压源芯片电路类似。
第五条、串联型稳压电源的电路认识
  串联型稳压电路属直流稳压电源中的一种,其实是在三端稳压器出现之前比较常用的直流供电方法,在三端稳压器出现之前,串联稳压器通常有OP放大器和稳压二极管构成误差检测电路,如下图,该电路中,OP放大器的反向输入端子与输出电压的检测信号相连,正向输入端子与基准电压Vref相连,Vs=Vout*R2/(R1+R2)。由于放大信号ΔVs为负值,控制晶体管的基级电压下降,因此输出电压减小在正常情况下,必有Vref=Vs=Vout*R2/(R1+R2),调整R1,R2之比可设定所需要的输出电压值。
  图中所示只是这也是三端稳压器的基本原理,其实负载大小可以可以把三极管换成达林顿管等等,这种串联型稳压电路做组成的直流稳压电源处理不当,极易产生振荡。现在没有一定模拟功底的工程师,一般现在不用这种方法,而是直接采用集成的三端稳压电路,进行DC/DC转换电路的使用。
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  • 2018-7-11 13:49:00
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第六条、 线性(模拟)集成稳压电路常用设计方案
  线性稳压电路设计方案主要以三端集成稳压器为主。三端稳压器,主要有两种:
  一种输出电压是固定的,称为固定输出三端稳压器,三端稳压器的通用产品有78系列(正电源)和79系列(负电源),输出电压由具体型号中的后面两个数字代表,有5V,6V,8V,9V,12V,15V,18V,24V等档次。输出电流以78(或79)后面加字母来区分。L表示0.1A,M表示0.5A,无字母表示1.5A,如78L05表求5V 0.1A。
  另一种输出电压是可调的线性稳压电路,称为可调输出三端稳压器,这类芯片代表是是LM317(正输出)和LM337(负输出)系列。其最大输入输出极限差值在40V,输出电压为1.2V-35V(-1.2V--35V)连续可调,输出电流为0.5-1.5A,输出端与调整端之间电压在1.25V,调整端静态电流为50uA。
  其基本原理相同,均采用串联型稳压电路。在线性集成稳压器中,由于三端稳压器只有三个引出端子,具有外接元件少,使用方便,性能稳定,价格低廉等优点,因而得到广泛应用。
 
 第七条 、DCDC转换开关型稳压电路设计方案
  上面所述的几种DCDC转换电路都属于串联反馈式稳压电路,在此种工作模式中集成稳压器中调整管工作在线性放大状态,因此当负载电流大时,损耗比较大,即转换效率不高。因此使用集成稳压器的电源电路功率都不会很大,一般只有2-3W,这种设计方案仅适合于小功率电源电路。
  采用开关电源芯片设计的DCDC转换电路转化效率高,适用于较大功率电源电路。目前得到了广泛的应用,常用的分为非隔离式的开关电源与隔离式的开关电源电路。
  DCDC转换开关型稳压电路设计方案,采用开关电源芯片设计的DCDC转换电路转化效率高,适用于较大功率电源电路。目前得到了广泛的应用,常用的分为非隔离式的开关电源与隔离式的开关电源电路。当然开关电源基本的拓扑包括降压型、升压型、升降压型及反激、正激、桥式变化等等。
  非隔离式DCDC开关转换电路设计方案。
  隔离式DCDC开关转换电路设计方案。
 
 第八条、 非隔离式DCDC开关转换集成电路芯片电路设计方案
  DCDC开关转换集成电路芯片,这类芯片的使用方法与第六条中的LM317非常相似,这里用L4960举例说明,一般是先使用50Hz电源变压器进行AC-AC变换,将~220V降至开关电源集成转换芯片输入电压范围比如1.2~34V,由L4960进行DC-DC变换,这时输出电压的变化范围下可调至5V,上调至40V,最大输出电流可达2.5A(还可以接大功率开关管进行扩流),并且内设完善的保护功能,如过流保护、过热保护等。尽管L4960的使用方法与LM317差不多,但开关电源的L4960与线性电源的LM317相比,效率不可同曰而语,L4960最大可输出100W的功率(Pmax=40V*2.5A=100W),但本身最多只消耗7W,所以散热器很小,制作容易。与L4960类似的还有L296,其基本参数与L4960相同,只是最大输出电流可高达4A,且具有更多的保护功能,封装形式也不一样。这样的芯片比较多,比如,LM2576系列,TPS54350,LTC3770等等。 一般在使用这些芯片时,厂家都会详细的使用说明和典型电路供参考。

第九条 、隔离的DCDC开关电源模块电路设计方案
  常用的隔离DC/DC转换主要分为三大类:
  1、反激式变换;
  2、正激式变换;
  3、桥式变换。
  常用的单端反激式DC/DC变换电路,这类隔离的控制芯片型号也不少。控制芯片典型代表是常用的UC3842系列。这种是高性能固定频率电流的控制器,主要用于隔离AC/DC、DC/DC转换电路。其主要应用原理是:电路由主电路、控制电路、启动电路和反馈电路4 部分组成。主电路采用单端反激式 拓扑,它是升降压斩波电路演变后加隔离变压器构成的,该电路具有结构简单, 效率高, 输入电压范围宽等优点。 控制电路是整个开关电源的核心,控制的好坏直接决定了电源整体性能。这个电路采用峰值电流型双环控制,即在电压闭环控制系统中加入峰值电流反馈控制。 这类方案选择合适的变压器及MOS管可以把功率做的很大,与前面几种设计方案相比电路结构复杂,元器件参数确定比较困难,开发成本较高,因此需要此方案时可以优先选择市面上比较廉价的DC/DC隔离模块。
  
第十条、 DCDC开关集成电源模块方案
  很多微处理器和数字信号处理器(DSP)都需要内核电源和一个输入/输出(I/O)电源,这些电源在启动时必须排序。设计师们必须考虑在加电和断电操作时内核和I/O电压源的相对电压和时序,以符合制造商规定的性能规格。如果没有正确的电源排序,就可能出现闭锁或过高的电流消耗,这可能导致微处理器I/O端口或存储器、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)或数据转换器等支持器件的I/O端口损坏。为了确保内核电压正确偏置之前不驱动I/O负载,内核电源和I/O电源跟踪是必需的。现在有专门的电源模块公司量身定做 一些专用的开关电源模块,主要是那些对除去常规电性能指标以外,对其体积小,功率密度高,转换效率高,发热少,平均无故障工作时间长,可靠性好,更低成本更高性能的DC/DC电源模块。这些模块结合了实现即插即用(plug-and-play)解决方案所需的大部分或全部组件,可以取代多达40个不同的组件。这样就简化了集成并加速了设计,同时可减少电源管理部分的占板空间。
  最传统和最常见的非隔离式DC/DC电源模块仍是单列直插(SiP)封装。这些开放框架的解决方案的确在减少设计复杂性方面取得了进展。然而,最 简单的是在印刷电路板上使用标准封装的组件。
  
第十一条、DCDC电源转换方案的选择注意事项
  本条金律也是本文的总结,很重要。本文这里主要大致介绍了DCDC电源转换的稳压管稳压、线性(模拟)稳压、DCDC开关型稳压三种电路模式的几种常用的设计方法方案。
  ①需要注意的是稳压管稳压电路不能做电源使用,只能用于没有功率要求的芯片供电;
  ②线性稳压电路电路结构简单,但由于转化效率低,因此只能用于小功率稳压电源中;
  ③开关型稳压电路转化效率高,可以应用在大功率场合,但其局限性在电路结构相对复杂(尤其是大功率电路),不利于小型化。
  因此在设计过程中,可根据实际需要选择合适的设计方案。

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