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DC-DC程序與系統設計的完美搭配的11大定律

理論與實踐總是相得益彰才完美,當然嵌入式程序設計與實際電源系統設計也要統一才能做出高效優質的DCDC直流轉換電源。有時候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,本文十大金律輕松搞定DCDC電源轉換電路設計。

第一條、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。

第二條、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

第三條、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。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。

第四條、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。

第五條、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放大器和穩壓二極管構成誤差檢測電路,一般電路中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。其實負載大小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。現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。

第六條、 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。

第七條 、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。

第八條、 非隔離式DCDC開關轉換集成電路芯片電路設計方案

DC-DC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。

第九條 、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。控制芯片典型代表是常用的UC3842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。控制電路是整個開關電源的核心,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。

第十條、 DC-DC開關集成電源模塊方案

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。

第十一條、DCDC電源轉換方案的選擇注意事項

最后一條也是最重要的一條,文中我們主要大致介紹了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。


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