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  • 常用DC-DC電源電路設(shè)計(jì)方案知識圖解
    • 發(fā)布時間:2020-12-18 15:12:42
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    常用DC-DC電源電路設(shè)計(jì)方案知識圖解
    DC/DC電源簡單理解為進(jìn)行輸入輸出電壓轉(zhuǎn)換的電路。常見的DC/DC電源主要分為車載、通訊、工業(yè)和消費(fèi)電子等,前者的使用電壓一般為48V、36V、24V等,后者的使用電壓一般在24V以下。不同應(yīng)用領(lǐng)域的使用電壓都會有所不同,如PC中常用的是12V、5V、3.3V,模擬電路常用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。
    DC/DC電源在通信系統(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直流輸入電壓,經(jīng)DC/DC變換后,在輸出端可獲得一個或多個直流電壓。DC/DC轉(zhuǎn)換電路主要分為穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路、線性(模擬)穩(wěn)壓電路和開關(guān)型穩(wěn)壓電路三類,下面來談?wù)勥@三類的常用設(shè)計(jì)方案。
    (一)在眾多DC/DC轉(zhuǎn)換電路方案中,最簡單的是穩(wěn)壓管電路設(shè)計(jì)方案。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)簡單,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。比較常用的是并聯(lián)型穩(wěn)壓電路,電路簡圖如下圖所示:
    DC-DC電源電路
    選擇穩(wěn)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(jié)構(gòu)簡單,可以抑制輸入電壓的擾動,但由于受到穩(wěn)壓管最大工作電流限制,同時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,要求不高的場合,常用作對供電電壓要求不高的芯片供電。
    (二)基準(zhǔn)電壓源芯片穩(wěn)壓電路是穩(wěn)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(zhǔn)電壓等,這時常用的一些電壓基準(zhǔn)芯片如TL431、MC1403、REF02等。TL431是最常用基準(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電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref(2.5V)到36V范圍之間。常用電路應(yīng)用如下圖所示:
    DC-DC電源電路
    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(nèi)的任意電壓輸出,特別地,當(dāng)R1=R2時,Vo=5V。其他的幾個基準(zhǔn)電壓源芯片電路類似。
    (三)串聯(lián)型穩(wěn)壓電路屬于直流穩(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)壓器通常由OP放大器和穩(wěn)壓二極管構(gòu)成誤差檢測電路,如下圖所示:
    DC-DC電源電路
    在電路中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(zhǔn)電壓Vref相連,Vs=Vout*R2/(R1+R2)。由于放大信號ΔVs為負(fù)值,控制晶體管的基極電壓下降,因此輸出電壓減小在正常情況下,必有Vref=Vs=Vout*R2/(R1+R2),調(diào)整R1、R2之比可設(shè)定所需要的輸出電壓值。這也是三端穩(wěn)壓器的基本原理,其實(shí)負(fù)載大小可以把三極管換成達(dá)林頓管等等,這種串聯(lián)型穩(wěn)壓電路組成的直流穩(wěn)壓電源處理不當(dāng),極易產(chǎn)生振蕩?,F(xiàn)在沒有一定模擬功底的工程師,一般都不用該方式,而是直接采用集成的三端穩(wěn)壓電路,作為DC/DC轉(zhuǎn)換電路使用。
    (四)線性(模擬)集成穩(wěn)壓電路常用設(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中的后面兩個數(shù)字代表,有5V、6V、8V、9V、12V、15V、18V、24V等。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表示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LM317(正輸出)和LM337(負(fù)輸出)系列。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(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)而得到廣泛應(yīng)用。
    (五)上面所述的幾種DC/DC轉(zhuǎn)換電路都屬于串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路,在這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,損耗比較大,即轉(zhuǎn)換效率不高。所以使用集成穩(wěn)壓器的電源電路功率都不會很大,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。
    DC/DC轉(zhuǎn)換開關(guān)型穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)方案,采用了開關(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。目前得到了廣泛應(yīng)用,分為非隔離式開關(guān)電源和隔離式開關(guān)電源兩種。開關(guān)電源基本的拓?fù)浒ń祲盒?、升壓型、升降壓型及反激式、正激式、橋式變化等等?/div>
    (六)非隔離式DC/DC開關(guān)轉(zhuǎn)換集成電路芯片電路設(shè)計(jì)方案,這類芯片的使用方法與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。然后由L4960進(jìn)行DC-DC變換,這時輸出電壓的變化范圍下可調(diào)至5V,上調(diào)至40V,最大輸出電流可達(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,效率不同。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(shù)與L4960相同,只是最大輸出電流可高達(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、TPS54350、LTC3770等等。一般在使用這些芯片時,廠家都會有詳細(xì)的使用說明和典型電路供參考設(shè)計(jì)。
    (七)隔離的DC/DC開關(guān)電源模塊電路設(shè)計(jì)方案。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開關(guān)電源模塊、DC/DC開關(guān)電源模塊。主要應(yīng)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?fù)?,它是升降壓斬波電路演變后加隔離變壓器構(gòu)成的,該電路具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、輸入電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。
    控制電路是整個開關(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,其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,元器件參數(shù)確定困難,開發(fā)成本較高。因此,需要此方案時可以優(yōu)先選擇市面上比較廉價(jià)的DC/DC隔離開關(guān)電源模塊。
    (八)DC/DC開關(guān)集成模塊電源方案,很多微處理器和數(shù)字信號處理器(DSP)都需要內(nèi)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(shè)計(jì)師們必須考慮在加電和斷電操作時內(nèi)核和I/O電壓源的相對電壓和時序,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,有可能會出現(xiàn)閉鎖或過高的電流消耗,導(dǎo)致微處理器I /O端口或存儲器、可編程邏輯器件(PLD)、現(xiàn)場可編程門陣列(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I/O負(fù)載,內(nèi)核電源和I/O電源跟蹤是必需的。
    現(xiàn)在有專門的模塊電源公司可量身定做一些專用的模塊電源,主要是對一些常規(guī)電性能指標(biāo)、體積小、功率密度高、轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)熱少、平均無故障工作時間長、可靠性好、更低成本、更高性能的DC/DC模塊電源。這些模塊電源可實(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個不同的組件。這樣就簡化了集成并加速了設(shè)計(jì),同時減少電源管理部分的占板空間。
    DC/DC電源為轉(zhuǎn)變輸入電壓后有效輸出固定電壓的電源,標(biāo)準(zhǔn)電路選定的元件大多是在標(biāo)準(zhǔn)使用條件下能發(fā)揮一般特性的元件,因此,并不是說在各種使用條件下都是最佳的元件選定。所以在各個設(shè)計(jì)中,必須根據(jù)各自的要求規(guī)格(如效率、成本、貼裝空間等)從標(biāo)準(zhǔn)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。但要能設(shè)計(jì)出符合要求規(guī)格的電路,需要足夠的知識和經(jīng)驗(yàn)積累。
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