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DC/DC轉換電路設計的這十大法則,你都掌握幾個了

2019-02-15

法則一、懂什麽是DC/DC電源以及DC/DC轉換電路分類

DC/DC電源電路又稱為DC/DC轉換電路,是直流-直流變壓,其主要功能就是進行輸入輸出電壓轉換。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係列和通用工業與消費係列,前者的使用的電壓一般為48V、36V、24V等,後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。在通信係統中也稱二次電源,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變換以後在輸出端獲一個或幾個直流電壓。

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開關型穩壓電路法則二、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,一般隻為芯片提供基準電壓,不做電源使用。

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,可以抑製輸入電壓的擾動,但由於受到穩壓管大工作電流限製,同時輸出電壓又不能任意調節,因此該電路適應於輸出電壓不需調節,負載電流小,要求不高的場合,該電路起穩壓保護作用。法則三、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範圍內的任何值。

其他的幾個基準電壓源芯片電路類似。法則四、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法則五、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係列(正電源)和79係列(負電源),輸出電壓由具體型號中的後麵兩個數字代表,有5V,6V,8V,9V,12V,15V,18V,24V等檔次。輸出電流以78(或79)後麵加字母來區分。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)係列。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,由於三端穩壓器隻有三個引出端子,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。法則六、DC/DC轉換開關型穩壓電路設計方案

上麵所述的幾種DCDC轉換電路都屬於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,一般隻有2-3W,這種設計方案僅適合於小功率電源電路。

采用開關電源芯片設計的DCDC轉換電路轉化效率高,適用於較大功率電源電路。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,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。法則七、非隔離式DCDC開關轉換集成電路芯片電路設計方案

 隔離電源是指輸入和輸出通過變壓器實現電氣連接的,變壓器的轉換過程是:電-磁-電,沒有和大地連接,所以不會發生觸電危險。而非隔離電路是輸入電源通過升降壓之後直接加在負載上,有觸電危險。 

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,這裏用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範圍比如1.2~34V,由L4960進行DC-DC變換,這時輸出電壓的變化範圍下可調至5V,上調至40V,大輸出電流可達2.5A(還可以接大功率開關管進行擴流),並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大可輸出100W的功率(Pmax=40V*2.5A=100W),但本身多隻消耗7W,所以散熱器很小,製作容易。與L4960類似的還有L296,其基本參數與L4960相同,隻是大輸出電流可高達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係列,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。法則八、隔離的DC/DC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。4.推挽式。

常用的單端反激式DC/DC變換電路,這類隔離的控製芯片型號也不少。控製芯片典型代表是常用的UC3842係列。這種是高性能固定頻率電流的控製器,主要用於隔離AC/DC、DC/DC轉換電路。其主要應用原理是:電路由主電路、控製電路、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後加隔離變壓器構成的,該電路具有結構簡單, 效率高, 輸入電壓範圍寬等優點。 控製電路是整個開關電源的核心,控製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製,即在電壓閉環控製係統中加入峰值電流反饋控製。 這類方案選擇合適的變壓器及MOS管可以把功率做的很大,與前麵幾種設計方案相比電路結構複雜,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麵上比較 成熟的DC/DC隔離模塊,比如菠菜联盟研發的DC-DC轉換器。

菠菜联盟SPC係列隔離型DC-DC轉換器,擁有先進的電源變換技術,輸入與輸出完全隔離,功率範圍:300W-800W,專為電動轎車、電動叉車、高爾夫球車、電動遊覽車等車輛的車燈、音響等用電係統的供電設計。

法則九、DCDC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,以符合製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。這樣就簡化了集成並加速了設計,同時可減少電源管理部分的占板空間。

傳統和常見的非隔離式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計複雜性方麵取得了進展。然而, 簡單的是在印刷電路板上使用標準封裝的組件。法則十、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。本文這裏主要大致介紹了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,隻能用於沒有功率要求的芯片供電;

②線性穩壓電路電路結構簡單,但由於轉化效率低,因此隻能用於小功率穩壓電源中;

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複雜(尤其是大功率電路),不利於小型化。

從以上十大法則看出,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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