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電源電路原理及其關(guān)鍵參數(shù)與風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)詳解

硬件設(shè)計(jì)解析 ? 來源:愛搞研究的阿燦 ? 作者:愛搞研究的阿燦 ? 2023-03-29 14:30 ? 次閱讀

一、電源電路原理

1.1 基本原理

??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

1.1.1 DCDC原理(降壓型)

??1)DC/DC電源屬于斬波類型,即按照一定的調(diào)制方式,不斷地導(dǎo)通和關(guān)斷高速開關(guān),通過控制開關(guān)通斷的占空比,可以實(shí)現(xiàn)直流電源電平的轉(zhuǎn)換。DC/DC電源的調(diào)制方式有三種:PWM方式、PFM方式、PWM 與PFM的混合方式。
??2)降壓電路是BUCK電路,開關(guān)S閉合的時(shí)候,VD二極管承受負(fù)壓關(guān)斷,電感充電,電流正向流動(dòng),電流值呈現(xiàn)指數(shù)上升趨勢(shì)。開關(guān)S斷開的時(shí)候,VD二極管起續(xù)流作用,電感開始放電,電流逐漸下降,通過負(fù)載和二極管回到電感另外一端,短暫供電。這樣電壓就能降低。實(shí)際使用的時(shí)候,S開關(guān)是通過MOSFE或者IGBT實(shí)現(xiàn)的,輸出電壓等于輸入電壓乘以PWM波的占空比。
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??3) DCM與CCM區(qū)別:
??反激變換器有兩個(gè)工作階段,即tON和tOFF,這兩個(gè)階段分別根據(jù)MOSFET的開關(guān)狀態(tài)來命名并控制。
在tON,期間,MOSFET導(dǎo)通,電流從輸入端流過原邊電感器,對(duì)耦合電感器進(jìn)行線性充電,并在其周圍 產(chǎn)生磁場(見圖2a)。在副邊,整流二極管反向偏置,從而使變壓器與輸出端斷開連接(見圖2b)。
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??在tOFF,期間,MOSFET斷開,耦合電感器開始通過二極管消磁(二極管現(xiàn)在已直接極化)。然后,電感 電流會(huì)為輸出電容器充電并為負(fù)載供電。反激變換器有兩種工作模式,采用何種方式取決于每個(gè)周期中電 感電流的最小值。如果在電感完全放電之前MOSFET從tOFF切換到tON,則電感中的電流永遠(yuǎn)不會(huì)為零, 這種操作方式稱為連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)。如果tOFF持續(xù)足夠長的時(shí)間使原邊電感器能夠完全放電,則 電感電流將在一段時(shí)間內(nèi)為零,此時(shí)二極管和MOSFET都處于截止?fàn)顟B(tài),我們稱為斷續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)。
??反激變換器的這兩種工作模式看起來非常相似,但實(shí)際上各有優(yōu)缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中全面考慮這 些優(yōu)缺點(diǎn)非常重要,因?yàn)槠渌x的工作模式會(huì)對(duì)電源變換器的效率、變壓器、調(diào)整率、EMI和成本都產(chǎn)生 重大影響。圖3和圖4顯示了CCM和DCM之間的區(qū)別。
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??EMI:一方面由于DCM模式會(huì)對(duì)電感器完全充電和放電,因此邏輯上其原邊電流紋波要比CCM模式下大 很多。電流紋波將產(chǎn)生一個(gè)可變信號(hào),由于原邊電流回路中不同組件類似天線的行為,該信號(hào)隨后被傳播, 并產(chǎn)生顯著的電磁干擾(EMI); 另一方面,DCM反激變換器還實(shí)現(xiàn)了零電流開關(guān)(ZCS),這減少了整 流二極管的反向恢復(fù),從而提高了能源效率。但這種軟開關(guān)會(huì)影響效率并對(duì)EMI產(chǎn)生重大影響,因?yàn)樗?須使用快速恢復(fù)二極管來減少能量損耗,但這會(huì)在副邊產(chǎn)生非常尖銳的電壓尖峰,引起振鈴,并可能導(dǎo)致 高頻差模噪聲。為解決這個(gè)問題,必須采用緩沖電路來減少這些尖峰并確保符合電磁兼容性(EMC)標(biāo)準(zhǔn) 和法規(guī)。
下圖為DCM和CCM對(duì)比:
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1.1.2 LDO原理

??1)LDO即low dropout regulator,是一種低壓差線性穩(wěn)壓器。LDO低壓差線性穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)主要包括啟動(dòng)電 路、恒流源偏置單元、使能電路、調(diào)整元件、基準(zhǔn)源、誤差放大器、反饋電阻網(wǎng)絡(luò)保護(hù)電路等。
??2)基本工作原理是:系統(tǒng)加電,如果使能腳處于高電平時(shí),電路開始啟動(dòng),恒流源電路給整個(gè)電路提供偏置, 基準(zhǔn)源電壓快速建立,輸出隨著輸入不斷上升,當(dāng)輸出即將達(dá)到規(guī)定值時(shí),由反饋網(wǎng)絡(luò)得到的輸出反饋電 壓也接近于基準(zhǔn)電壓值,此時(shí)誤差放大器將輸出反饋電壓和基準(zhǔn)電壓之間的誤差小信號(hào)進(jìn)行放大,再經(jīng)調(diào) 整管放大到輸出,從而形成負(fù)反饋,保證了輸出電壓穩(wěn)定在規(guī)定值上,同理如果輸入電壓變化或輸出電流 變化,這個(gè)閉環(huán)回路將使輸出電壓保持不變。
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二、關(guān)鍵參數(shù)與風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

2.1 明確輸入輸出電壓選擇

??1)降壓,則可以選擇線性穩(wěn)壓器(LDO電源)、電容式DC-DC(電荷泵)或降壓DC-DC(電感式);
??2)升壓,則只能選擇電容式DC/DC。
??3)查看輸出電壓負(fù)載調(diào)整率、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。
??4)輸出電壓精度要求。
??5)過流、超壓、短路、溫度保護(hù)功能。

2.2 效率選擇

??1)若壓差很小(遠(yuǎn)小于1V),則可以考慮選擇LDO;
??2)若壓差在1V以上,則可以考慮LDO或者降壓DC/DC;
??3)如果對(duì)效率沒有要求,兩種電源均可選擇(LDO成本更低)。
??4)為保證供電系統(tǒng)電源負(fù)荷變化較大應(yīng)用的效率,DCDC最好選擇DCM/CCM自動(dòng)切換控制式DC/DC電源; CCM的特點(diǎn):噪聲低、滿負(fù)載時(shí)效率高且能工作在連續(xù)導(dǎo)電模式;DCM的特點(diǎn):具有靜態(tài)功耗小,在低 負(fù)荷時(shí)可改進(jìn)穩(wěn)壓器的效率。當(dāng)系統(tǒng)在重負(fù)荷時(shí)有CCM控制,在低負(fù)荷時(shí)自動(dòng)切換到DCM控制。采用 DCM/CCM的DC/DC電源能夠獲得較高效率。

2.3 電源芯片余量保證

??1)如果使用能輸出大電流的穩(wěn)壓器來帶動(dòng)小電流的負(fù)載,會(huì)帶來成本的提高和使DC/DC電源效率的降低。
??2)較合適的工作電流為電源芯片最大輸出電流的70%~90%。
??3)當(dāng)在使用LDO時(shí),輸出電流要盡量留出較多的余量,因?yàn)長DO的壓降都消耗在穩(wěn)壓芯片上,過大的負(fù) 載電流會(huì)造成較為嚴(yán)重的發(fā)熱。

2.4 靜態(tài)電流

??1)靜態(tài)電流是與負(fù)載電流大小幾乎無關(guān)的消耗,越小越好;
??2)效率是能夠轉(zhuǎn)為有效利用能量多少的量度同樣容量大小的電池,電源的效率越高,靜態(tài)電流越小,電源使用壽命越長。

2.5 合理選擇LDO/DCDC芯片

??1)若優(yōu)先考慮轉(zhuǎn)換效率,則可以選擇DC/DC電源;
??2)若考慮成本因素,并且要求較小的紋波和噪聲,則可以選擇LDO電源。
??3)輸出電流大時(shí),應(yīng)采用降壓式DC/DC(電感式)。
??4)需要負(fù)電源時(shí),盡量采用DC/DC轉(zhuǎn)換器,若要求噪聲小或輸出穩(wěn)定的負(fù)電源,可采用帶LDO的DC/DC 電源芯片。
??5)在使用電池供電時(shí),若要求較長的電池使用時(shí)間,需要優(yōu)先考慮效率,無論是升壓、降壓、升/降壓都可 以選用DC-DC轉(zhuǎn)換器。為獲得較高的效率,此時(shí)需要參照DC-DC轉(zhuǎn)換器芯片手冊(cè)里邊的效率隨負(fù)載電流變化曲線,要根據(jù)負(fù)載電流選擇合適的DC-DC轉(zhuǎn)換器,確保穩(wěn)壓器達(dá)到較高的效率。

2.6 芯片區(qū)別選擇

??1)國家以及廠商制造水平選擇。
??2)成本決定質(zhì)量,考慮產(chǎn)品的價(jià)格選擇合適的芯片定位價(jià)格(主要是制造商、工藝問題)

2.7 數(shù)值選擇

??1)電感:電感的選擇要滿足直到輸出最小規(guī)定電流時(shí),電感電流也保持連續(xù)。在電感選取過程中需要綜合考慮輸出電流、紋波、體積等多個(gè)因素。較大的電感將導(dǎo)致較小的紋波電流,從而導(dǎo)致較低的紋波電壓,但是電感越大,將具有更大的物理占用面積,更高的串聯(lián)電阻和更低的飽和電流。一般在芯片的datasheet 中會(huì)有相應(yīng)的計(jì)算公式。
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??2)電容: 輸出電容的選擇主要是根據(jù)設(shè)計(jì)中所需要的輸出紋波的要求來進(jìn)行選取。電容產(chǎn)生的紋波:相對(duì)很小,可以忽略不計(jì);電容等效電感產(chǎn)生的紋波:在300KHz~500KHz以下,可以忽略不計(jì);電容等效電阻產(chǎn) 生的紋波:與ESR和流過電容電流成正比,該電流紋波主要是和開關(guān)管的開關(guān)頻率有關(guān),基本為開關(guān)頻率的N次諧波,為了減少紋波,讓ESR盡量小。

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