常用DCDC電源電路方案設(shè)計

1、常用DC /DC電源電路設(shè)計方案分析1、 DC/DC電源電路簡介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。結(jié)合到本公司產(chǎn)品，這里主要總結(jié)24V以下的DC/DC電源電路常用的設(shè)計方案。2、 DC/DC轉(zhuǎn)換電路分類DC/DC轉(zhuǎn)換電路主要分為以下

2、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 3、 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路設(shè)計方案 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，該電路常用作對供電電壓要求不

3、高的芯片供電。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，這時候可以采用常用的一些電壓基準(zhǔn)芯片如MC1403 ,REF02,TL431等。這里主要介紹TL431、REF02的應(yīng)用方案。3.1 TL431常用電路設(shè)計方案TL431是一個有良好的熱穩(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范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2，參考電壓源誤差1%,輸出電流為1.0-100mA。最常用的電路應(yīng)用如下圖3-1所示，TL431的內(nèi)部含有一個2.5V的基準(zhǔn)電壓，所以當(dāng)在REF端引入輸出反饋時，器件可以通過從陰極到陽極很寬

4、范圍的分流，控制輸出電壓。如圖3-1所示的電路，當(dāng)R1和R2的阻值確定時，兩者對Vo的分壓引入反饋，若V o增大，反饋量增大，TL431的分流也就增加，從而又導(dǎo)致Vo下降。顯然，這個深度的負(fù)反饋電路必然在VI等于基準(zhǔn)電壓處穩(wěn)定，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。 圖3-1 并聯(lián)穩(wěn)壓器電路圖 圖3-2 大電流并聯(lián)穩(wěn)壓器電路圖 TL431最大輸出電流為100mA,在需要更大的電流時可以在圖3-1基礎(chǔ)上加一個三極管進(jìn)行擴(kuò)流，如圖3-2所示。使用上述設(shè)計方案時，需要注意的是，在選擇電阻時必須

5、保證TL431工作的必要條件，就是通過陰極的電流要大于1 mA ；電阻R1、R2必須選擇低溫漂高精度的精密電阻，這樣才能保證輸出電壓的精度。將R1換為電位器時，通過調(diào)節(jié)R1的大小，可以實現(xiàn)輸出電壓連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍為2.5V-36V。3.2 REF02常用電路設(shè)計方案REF02是高精度的基準(zhǔn)電壓芯片。輸入電壓為+8V到+40V，輸出電壓為+5V，輸出電壓誤差達(dá)到正負(fù)0.2%。常用的電路方案如下圖3-3所示。在很多時候不僅需要正基準(zhǔn)電壓，還會用到負(fù)基準(zhǔn)電壓，因此在圖3-3的基礎(chǔ)上設(shè)計出能夠同時出正負(fù)基準(zhǔn)的一個電路，如圖3-4所示。主要是將REF02輸出的+5V基準(zhǔn)通過反相比例放大電路輸出一個-5

6、V的基準(zhǔn)電壓。為了保證-5V基準(zhǔn)電壓的準(zhǔn)確性，兩個10K電阻需用高精度低溫漂的精密電阻。 圖3-3 REF02輸出穩(wěn)壓電路 圖3-4 REF輸出正負(fù)基準(zhǔn)電壓電路 圖3-3、3-4的電路方案除了REF02之外，很多電壓基準(zhǔn)芯片都可以用到，使用時可根據(jù)需要選擇合適的基準(zhǔn)電壓芯片。4、 線性（模擬）穩(wěn)壓電路常用設(shè)計方案 線性穩(wěn)壓電路設(shè)計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，另一種輸出電壓是可調(diào)的，稱為可調(diào)輸出三端穩(wěn)壓器，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

7、穩(wěn)定，價格低廉等優(yōu)點，因而得到廣泛應(yīng)用。4.1 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等檔次。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表求5V 0.1A。典型應(yīng)用電路如下： 圖4-1 典型應(yīng)用電路 圖4-2提高輸出電壓的電路 圖4-3 雙電源電路 在使用上述方案時需要注意，輸入電壓與輸出電壓至少應(yīng)由3V的壓差，使穩(wěn)壓器中的調(diào)整管工作在放大區(qū)。同時輸入輸出壓差過大，會增加穩(wěn)壓器的功耗。具體參數(shù)

8、按照數(shù)據(jù)手冊。在三端穩(wěn)壓器的輸入輸出端接一個二極管，用來防止輸入端短路時,輸出端存儲的電荷通過穩(wěn)壓器,而損壞器件。 除上述典型應(yīng)用方案外，固定輸出三端穩(wěn)壓器與集成運放可以設(shè)計出輸出可調(diào)的穩(wěn)壓電路，電路方案如圖4-4所示： 圖4-4 輸出可調(diào)的穩(wěn)壓電路圖中集成運放作為電壓跟隨器，運放供電借助三端穩(wěn)壓器輸入電壓。當(dāng)電位器滑動至最上端時，輸出電壓為最大值。當(dāng)電位器滑動至最下端時，輸出電壓為最小值。4.2 可調(diào)輸出三端穩(wěn)壓器可調(diào)輸出三端穩(wěn)壓器常用的是LM317(正輸出）和LM337（負(fù)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(xù)可調(diào)，輸出電流為0.5

9、-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。其典型應(yīng)用方案如圖4-5所示：D1 D2二極管保護(hù)LM317為保護(hù)二極管。R2兩端并聯(lián)的C2可以大幅提高抵抗諧波的能力。上面所述的幾種DCDC轉(zhuǎn)換電路都屬于串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路，在此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。因此使用集成穩(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)計方案僅適合于小功率電源電路。圖4-5 LM317可調(diào)穩(wěn)壓電路5、 開關(guān)型穩(wěn)壓電路設(shè)計方案 采用開關(guān)電源芯片設(shè)計的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

10、的應(yīng)用，常用的分為非隔離式的開關(guān)電源與隔離式的開關(guān)電源電路。 5.1 非隔離式DCDC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計方案 非隔離式的開關(guān)電源電路主要分類如下圖所示： 圖5-1 非隔離式開關(guān)電源電路分類5.1.1 基于LM2575實現(xiàn)非隔離式DCDC變換的方案 LM2575是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的1A集成穩(wěn)壓電路，內(nèi)部集成了一個穩(wěn)壓電路，只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效的穩(wěn)壓電路，可大大減小散熱器面積，大部分情況下不需使用散熱片。LM25755主要指標(biāo)如下：最大輸出電流1A，最大輸入電壓45V（60V），輸出電壓：3.3V 5V 12V ADJ（可調(diào)），穩(wěn)壓誤差4%，轉(zhuǎn)換效率75%-88%，震蕩頻率54KHZ，工

11、作溫度-55-+150。常用的設(shè)計方案如下圖5-1、5-2、5-3所示： 圖5-2 5V穩(wěn)壓電源電路 圖5-3 -12V穩(wěn)壓電壓電路 圖5-3 1.2-55V可調(diào)穩(wěn)壓電源電路 再用上述方案時需要注意幾點： （1)在圖5-3中，輸出電壓計算公式為： (2)電感的選擇可以按照下面公式進(jìn)行選擇：在選擇電感時，可在電感器尺寸大小與系統(tǒng)性能之間做一個折中，可靠近這個數(shù)值選擇一個合適的電感。 (3)輸出電容選擇地ESR的電容降低輸出紋波電壓，可使用固態(tài)膽電容或多層陶瓷電容?？梢园凑障旅婀竭M(jìn)行選擇：(4) 二極管選擇 二極管額定電流應(yīng)大于LM2575的最大電流限制，反向電壓應(yīng)大于最大輸入電壓的1.2倍。5

12、.2 隔離式DCDC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計方案常用的隔離DC/DC轉(zhuǎn)換主要分為三大類： 圖5-4 常見隔離式開關(guān)電源分類這里主要介紹一種常用的單端反激式DC/DC變換電路，控制芯片采用常用的UC3842或UC3843。UC3842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(zhuǎn)換電路。其主要應(yīng)用原理如下： 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。 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

13、壓閉環(huán)控制系統(tǒng)中加入峰值電流反饋控制。電路電流環(huán)控制采用UC3842 內(nèi)部電流環(huán)，電壓外環(huán)采用T L431 和光耦PC817 構(gòu)成的外部誤差放大器，誤差電壓直接送到UC3842 的1 腳。誤差電壓與電流比較器的同相輸入端3 腳經(jīng)采樣電阻采集到初級側(cè)電流進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)輸出端脈沖寬度。2 腳接地。R4, C5 是UC3842 的定時元件， 決定UC3842 的工作頻率，.當(dāng)UC3842 的1 腳電壓低于1 V 時，輸出端將關(guān)閉；當(dāng)3 腳上的電壓高于1 V 時，電流限幅電路將開始工作，UC3842 的輸出脈沖中斷。開關(guān)管上波形出現(xiàn)打嗝現(xiàn)象，從而可以實現(xiàn)過壓、欠壓、限流等保護(hù)功能。 此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)計方案相比電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元器件參數(shù)確定比較困難，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的DC/DC隔離模塊。6、 總結(jié)