搞定DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)方案的11個(gè)黃金定律。

搞嵌入式的工程師們往往把單片機(jī)、ARM、DSP、FPGA搞的得心應(yīng)手，而一旦進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，到了給電源系統(tǒng)供電，雖然也能讓其精心設(shè)計(jì)的程序運(yùn)行起來，但對(duì)于新手來說，有時(shí)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11個(gè)金律輕松搞定DCDC電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 。

01搞懂DC-DC電源怎么回事

DC-DC電源電路又稱為DC-DC轉(zhuǎn)換電路，其主要功能就是進(jìn)行輸入輸出電壓轉(zhuǎn)換。一般我們把輸入電源電壓在72V以內(nèi)的電壓變換過程稱為DC-DC轉(zhuǎn)換。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。

02需要知道的DC-DC轉(zhuǎn)換電路分類

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

03最簡單的穩(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，其電路簡圖如圖(1)所示：

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)簡單，可以抑制輸入電壓的擾動(dòng)，但由于受到穩(wěn)壓管最大工作電流限制，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，要求不高的場合，該電路常用作對(duì)供電電壓要求不高的芯片供電。

04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(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。最常用的電路應(yīng)用如下圖示，此時(shí)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(shí)，Vo=5V。

其他的幾個(gè)基準(zhǔn)電壓源芯片電路類似。

05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，如下圖，該電路中，OP放大器的反向輸入端子與輸出電壓的檢測(cè)信號(hào)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(hào)ΔVs為負(fù)值，控制晶體管的基級(jí)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。

圖中所示只是這也是三端穩(wěn)壓器的基本原理，其實(shí)負(fù)載大小可以可以把三極管換成達(dá)林頓管等等，這種串聯(lián)型穩(wěn)壓電路做組成的直流穩(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，一般現(xiàn)在不用這種方法，而是直接采用集成的三端穩(wěn)壓電路，進(jìn)行DC-DC轉(zhuǎn)換電路的使用。

這款效率為96%的40A負(fù)載點(diǎn)(PoL)非隔離式板裝DC/DC轉(zhuǎn)換器尺寸為33mm x 13.5mm x 10.2mm。(圖片：TDK)

效率通常是DC/DC轉(zhuǎn)換器最重要的規(guī)格，它對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的許多方面都具有重大影響。即使在高效率的設(shè)計(jì)中，效率的提高也會(huì)產(chǎn)生重大影響。效率為95%的設(shè)計(jì)熱損耗為5%，效率為80%的DC/DC轉(zhuǎn)換器熱損耗為20%，相差四倍。這種差異會(huì)影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)的許多方面：

可以降低工作溫度，或者可以在相同工作溫度下提高系統(tǒng)功率密度

系統(tǒng)的物理尺寸減小

由于可使用較小甚至無需使用散熱器，因此系統(tǒng)成本將更低

可靠性大幅提高

對(duì)于交流電源系統(tǒng)，前端交流/直流電源將更小且成本更低

電池供電的系統(tǒng)可以使用較小的電池或在給定的供電水平下運(yùn)行更長時(shí)間

對(duì)系統(tǒng)的能源成本和環(huán)境影響將減少

5V DC/1A輸出的DC / DC轉(zhuǎn)換器在各種輸入電壓下的效率曲線。圖片：RECOM

效率可以通過多種方式體現(xiàn)，例如在各種輸入電壓電平，各種輸出功率電平等情況下的典型值(非常常見)，保證的最小值。并且，在所考慮的范圍內(nèi)，效率通常不是平坦的。對(duì)于輸出功率與效率的關(guān)系，重要的是要考慮效率曲線的形狀，并將其與系統(tǒng)的預(yù)期運(yùn)行狀態(tài)相匹配，以在實(shí)際運(yùn)行條件下最大化效率。

在許多應(yīng)用中，尤其是電池供電的設(shè)備，空載功耗可能是重要的指標(biāo)，它與開關(guān)電路的功耗有關(guān)，是整體效率的限制因素。

輸出調(diào)節(jié)

額定輸出電流是一個(gè)簡單明了的規(guī)格。某些DC/DC轉(zhuǎn)換器還規(guī)定了最小負(fù)載。根據(jù)轉(zhuǎn)換器的不同，低于最小負(fù)載的運(yùn)行會(huì)對(duì)電壓調(diào)節(jié)產(chǎn)生負(fù)面影響，但不會(huì)損壞轉(zhuǎn)換器。輸出電壓是要指定的更復(fù)雜的參數(shù)。提供用于指定輸出電壓的起點(diǎn)的兩個(gè)因素是標(biāo)稱值或“設(shè)定點(diǎn)”，以及該標(biāo)稱值與各種獨(dú)立參數(shù)(例如輸出負(fù)載的變化，輸入電壓的變化和工作溫度變化。)

設(shè)定值規(guī)格的一個(gè)例子是在額定輸入電壓，滿載和25°C下為±1%。電源和負(fù)載調(diào)整率通常指定為百分比或絕對(duì)范圍，例如，±0.1%或±5mV。溫度調(diào)節(jié)通常指定為“每攝氏度”，例如±0.01%/°C或百萬分之一(PPM)，如PPM /°C所示。一些DC/DC轉(zhuǎn)換器供應(yīng)商提供了針對(duì)所有可能變化的“總調(diào)節(jié)”的單一規(guī)范，而不是提供上面概述的各個(gè)規(guī)范。對(duì)于低于3V的電壓，詳細(xì)規(guī)定輸出電壓調(diào)節(jié)可能更為重要。

在典型應(yīng)用中，與輸出負(fù)載水平相比，在系統(tǒng)運(yùn)行期間，線路輸入電壓和工作溫度變化相對(duì)較小。結(jié)果，負(fù)載調(diào)節(jié)是更關(guān)鍵的規(guī)格。另外，由于輸出負(fù)載中階躍函數(shù)的變化而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)(有時(shí)稱為瞬態(tài)響應(yīng))。

動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)

對(duì)于許多系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)比靜態(tài)電壓調(diào)節(jié)更為關(guān)鍵。在指定動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)，有必要對(duì)負(fù)載的絕對(duì)變化，變化率，“恢復(fù)”的定義以及達(dá)到恢復(fù)的時(shí)間進(jìn)行量化。例如：“負(fù)載變化為25%至75%，dI/dt為0.1A/μs，最大偏差為3%，并在200ms內(nèi)恢復(fù)到設(shè)定值的1%。”輸出電壓將在電流增加時(shí)減小，而在電流減小時(shí)增加。

橋式可逆斬波電路在電力電子技術(shù)、電力拖動(dòng)和電力系統(tǒng)及其他領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。對(duì)于具有摩擦負(fù)載的直流調(diào)速系統(tǒng)需要能在四象限內(nèi)運(yùn)行的直流變換電路，從而發(fā)展出了橋式可逆斬波電路。傳統(tǒng)的四象限直流電源是由兩組反并聯(lián)相控式整流電路實(shí)現(xiàn)的，因此具有和其他相控式電源一樣的固有缺點(diǎn)：網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)隨著調(diào)壓加深而變得很低;系統(tǒng)慣性大無法滿足諸如伺服系統(tǒng)類要求快速響應(yīng)的場合。以DC/DC變換原理為基礎(chǔ)的直流電壓變換電路由于在交流側(cè)采取不控整流方式，故網(wǎng)側(cè)功率高，且不隨輸出電壓變化;由于采用開關(guān)頻率較高的斬控方式，故系統(tǒng)慣性小，快速響應(yīng)性能好。因此，調(diào)試橋式可逆斬波電路的相關(guān)參數(shù)并對(duì)負(fù)載的工作情況進(jìn)行對(duì)比分析與研究，對(duì)工程實(shí)踐具有較強(qiáng)的預(yù)測(cè)和指導(dǎo)作用。

2　電壓型單相橋式逆變電路原理

電壓型單相橋式逆變電路如圖1所示，采用IGBT開關(guān)管作為開關(guān)器件，負(fù)載為電感性，對(duì)晶體管的控制按如下程序進(jìn)行：在正半周期時(shí)讓晶閘管VT1保持導(dǎo)通而讓晶閘管VT4交替通斷。兩管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載兩端所加電壓為直流電源電壓ud，電動(dòng)機(jī)工作于第1象限;當(dāng)VT1導(dǎo)通VT4關(guān)斷時(shí)，直到使VT4再一次導(dǎo)通之前由VD3續(xù)流。若負(fù)載電流衰減較快則在VT4再一次導(dǎo)通之前負(fù)載電壓為零。這樣負(fù)載上的輸出電壓就可以得到零和+ud兩種電平。同樣在負(fù)半周讓晶體管VT2保持導(dǎo)通，當(dāng)VT3導(dǎo)通時(shí)負(fù)載被加上負(fù)電壓-ud，電動(dòng)機(jī)工作于第3象限;當(dāng)VT3關(guān)斷時(shí)VD4續(xù)流，負(fù)載電壓為零，負(fù)載電壓可以得到-ud和零兩種電平。這樣在一個(gè)周期內(nèi)逆變器輸出的PWM波形就由±ud和零三種電平組成[1]。二極管用于逆變電路的續(xù)流。從某種意義上來說，四象限直流變換電路是輸入信號(hào)頻率趨于零的逆變電路。