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DC-DC电源常用电路设计方案知识

DC/DC电源简单理解为进行输入输出电压转换的电路。常见的DC/DC电源主要分为车载、通讯、工业和消费电子等,前者的使用电压一般为48V、36V、24V等,后者的使用电压一般在24V以下。不同应用领域的使用电压都会有所不同,如PC中常用的是12V、5V、3.3V,模拟电路常用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。

各种规格的DC插座.jpg

DC/DC电源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变换后,在输出端可获得一个或多个直流电压。DC/DC转换电路主要分为稳压管稳压电路、线性(模拟)稳压电路和开关型稳压电路三类,下面来谈谈这三类的常用设计方案。


(一)在众多DC/DC转换电路方案中,最简单的是稳压管电路设计方案。稳压管稳压电路结构简单,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,

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,常用作对供电电压要求不高的芯片供电。


(二)基准电压源芯片稳压电路是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范围之间。



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。


(三)串联型稳压电路属于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,串联稳压器通常由OP放大器和稳压二极管构成误差检测电路,

在电路中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,控制晶体管的基极电压下降,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。这也是三端稳压器的基本原理,其实负载大小可以把三极管换成达林顿管等等,这种串联型稳压电路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,一般都不用该方式,而是直接采用集成的三端稳压电路,作为DC/DC转换电路使用。


(四)线性(模拟)集成稳压电路常用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。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表示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LM317(正输出)和LM337(负输出)系列。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、价格低廉等优点而得到广泛应用。


(五)上面所述的几种DC/DC转换电路都属于串联反馈式稳压电路,在这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。所以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。


DC/DC转换开关型稳压电路设计方案,采用了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。目前得到了广泛应用,分为非隔离式开关电源和隔离式开关电源两种。开关电源基本的拓扑包括降压型、升压型、升降压型及反激式、正激式、桥式变化等等。


(六)非隔离式DC/DC开关转换集成电路芯片电路设计方案,这类芯片的使用方法与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。然后由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,效率不同。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、TPS54350、LTC3770等等。一般在使用这些芯片时,厂家都会有详细的使用说明和典型电路供参考设计。


(七)隔离的DC/DC开关电源模块电路设计方案。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开关电源模块、DC/DC开关电源模块。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,其电路结构复杂,元器件参数确定困难,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隔离开关电源模块。


(八)DC/DC开关集成模块电源方案,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,有可能会出现闭锁或过高的电流消耗,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。


现在有专门的模块电源公司可量身定做一些专用的模块电源,主要是对一些常规电性能指标、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模块电源。这些模块电源可实现即插即用(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,同时减少电源管理部分的占板空间。


DC/DC电源为转变输入电压后有效输出固定电压的电源,标准电路选定的元件大多是在标准使用条件下能发挥一般特性的元件,因此,并不是说在各种使用条件下都是最佳的元件选定。所以在各个设计中,必须根据各自的要求规格(如效率、成本、贴装空间等)从标准电路进行设计变更。但要能设计出符合要求规格的电路,需要足够的知识和经验积累。


 
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