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DC/DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)的這十大法則,你都掌握幾個(gè)了

2019-02-15

法則一、懂什么是DC/DC電源以及DC/DC轉(zhuǎn)換電路分類

DC/DC電源電路又稱為DC/DC轉(zhuǎn)換電路,是直流-直流變壓,其主要功能就是進(jìn)行輸入輸出電壓轉(zhuǎn)換。該類型分為隔離型和非隔離性。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(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。

DC/DC轉(zhuǎn)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(guān)型穩(wěn)壓電路法則二、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。

選擇穩(wěn)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(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,該電路起穩(wěn)壓保護(hù)作用。法則三、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。

其他的幾個(gè)基準(zhǔn)電壓源芯片電路類似。法則四、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)電路法則五、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(diào)的線性穩(wěn)壓電路,稱為可調(diào)輸出三端穩(wěn)壓器,這類芯片代表是是LM317(正輸出)和LM337(負(fù)輸出)系列。其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。法則六、DC/DC轉(zhuǎn)換開關(guān)型穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)方案

上面所述的幾種DCDC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關(guān)電源與隔離式的開關(guān)電源電路,基本的拓?fù)浒ń祲盒?、升壓型、升降壓型及反激、正激、橋式變化等等。法則七、非隔離式DCDC開關(guān)轉(zhuǎn)換集成電路芯片電路設(shè)計(jì)方案

 隔離電源是指輸入和輸出通過變壓器實(shí)現(xiàn)電氣連接的,變壓器的轉(zhuǎn)換過程是:電-磁-電,沒有和大地連接,所以不會(huì)發(fā)生觸電危險(xiǎn)。而非隔離電路是輸入電源通過升降壓之后直接加在負(fù)載上,有觸電危險(xiǎn)。 

DCDC開關(guān)轉(zhuǎn)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(jìn)行AC-AC變換,將~220V降至開關(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,大輸出電流可達(dá)2.5A(還可以接大功率開關(guān)管進(jìn)行擴(kuò)流),并且內(nèi)設(shè)完善的保護(hù)功能,如過流保護(hù)、過熱保護(hù)等。盡管L4960的使用方法與LM317差不多,但開關(guān)電源的L4960與線性電源的LM317相比,效率不可同曰而語,L4960大可輸出100W的功率(Pmax=40V*2.5A=100W),但本身多只消耗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)的使用說明和典型電路供參考。法則八、隔離的DC/DC開關(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:1.反激式變換。2.正激式變換。3.橋式變換。4.推挽式。

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(hào)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(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4 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,開發(fā)成本較高,因此需要此方案時(shí)可以優(yōu)先選擇市面上比較 成熟的DC/DC隔離模塊,比如欣聯(lián)達(dá)研發(fā)的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

欣聯(lián)達(dá)SPC系列隔離型DC-DC轉(zhuǎn)換器,擁有先進(jìn)的電源變換技術(shù),輸入與輸出完全隔離,功率范圍:300W-800W,專為電動(dòng)轎車、電動(dòng)叉車、高爾夫球車、電動(dòng)游覽車等車輛的車燈、音響等用電系統(tǒng)的供電設(shè)計(jì)。

法則九、DCDC開關(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(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?,F(xiàn)在有專門的電源模塊公司量身定做 一些專用的開關(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。

傳統(tǒng)和常見的非隔離式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(shè)計(jì)復(fù)雜性方面取得了進(jìn)展。然而, 簡(jiǎn)單的是在印刷電路板上使用標(biāo)準(zhǔn)封裝的組件。法則十、DCDC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。

從以上十大法則看出,在設(shè)計(jì)過程中,可根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的設(shè)計(jì)方案。

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