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干貨 | 輕松玩轉(zhuǎn)DC-DC電路,從這些技巧開始!

溫柔WR ? 來源:溫柔WR ? 作者:溫柔WR ? 2023-09-10 21:29 ? 次閱讀

概念及特點(diǎn)

(1)概念

DC-DC指直流轉(zhuǎn)直流電源(Direct Current)。是一種在直流電路中將一個(gè)電壓值的電能變?yōu)榱硪粋€(gè)電壓值得電能的裝置。如,通過一個(gè)轉(zhuǎn)換器能將一個(gè)直流電壓(5.0V)轉(zhuǎn)換成其他的直流電壓(1.5V或12.0V),我們稱這個(gè)轉(zhuǎn)換器為DC-DC轉(zhuǎn)換器,或稱之為開關(guān)電源或開關(guān)調(diào)整器。

DC-DC轉(zhuǎn)換器一般由控制芯片,電感線圈,二極管,三極管,電容器構(gòu)成。在討論DC-DC轉(zhuǎn)換器的性能時(shí),如果單針對(duì)控制芯片,是不能判斷其優(yōu)劣的。其外圍電路的元器件特性,和基板的布線方式等,能改變電源電路的性能,因此,應(yīng)進(jìn)行綜合判斷。

DC-DC轉(zhuǎn)換器的使用有利于簡化電源電路設(shè)計(jì),縮短研制周期,實(shí)現(xiàn)最佳指標(biāo)等,被廣泛用于電力電子、軍工、科研、工控設(shè)備、通訊設(shè)備、儀器儀表、交換設(shè)備、接入設(shè)備、移動(dòng)通訊、路由器等通信領(lǐng)域和工業(yè)控制汽車電子、航空航天等領(lǐng)域。具有可靠性高、系統(tǒng)升級(jí)容易等特點(diǎn),電源模塊的應(yīng)用越來越廣泛。此外,DC-DC轉(zhuǎn)換器還廣泛應(yīng)用于手機(jī)、MP3、數(shù)碼相機(jī)、便攜式媒體播放器等產(chǎn)品中。在電路類型分類上屬于斬波電路。

(2)特點(diǎn)

其主要特點(diǎn)是效率高:與線性穩(wěn)壓器LDO相比較,效率高是DCDC的顯著優(yōu)勢。通常效率在70%以上,效率高的可達(dá)到95%以上。其次是適應(yīng)電壓范圍寬。

A:調(diào)制方式

1:PFM(脈沖頻率調(diào)制方式)

開關(guān)脈沖寬度一定,通過改變脈沖輸出的頻率,使輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定。PFM控制型即使長時(shí)間使用,尤其小負(fù)載時(shí)具有耗電小的優(yōu)點(diǎn)。

2:PWM(脈沖寬度調(diào)制方式)

開關(guān)脈沖的頻率一定,通過改變脈沖輸出寬度,使輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定。PWM控制型效率高并具有良好的輸出電壓紋波和噪聲。

B:通常情況下,采用PFM和PWM這兩種不同調(diào)制方式的DC-DC轉(zhuǎn)換器的性能不同點(diǎn)如下。

PWM的頻率,PFM的占空比的選擇方法。PWM/PFM轉(zhuǎn)換型小負(fù)載時(shí)實(shí)行PFM控制,且在重負(fù)載時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到PWM控制。

架構(gòu)分類

(1)常見的三種原理架構(gòu)

A、 Buck(降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器)

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圖1

B、Boost(升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器)

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圖2

C、Buck-Boost(升降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器)

wKgaomT9xKaANuiRAAF8-G2Q5aQ141.png

圖3

(2)BUCK電路工作原理詳解

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圖4

伏秒平衡原則:處于穩(wěn)定狀態(tài)的電感,電感兩端的正伏秒積等于負(fù)伏秒積,即:電感兩端的伏秒積在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)必須平衡。

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圖5

當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí):輸入電壓Vin加到LC濾波器的輸入端,電感上的電流以固定斜率線性上升。如下圖:

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圖6

當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí):由于電感上的電流不能突變,電感中存儲(chǔ)的能量向負(fù)載釋放,電感電流通過二極管續(xù)流 ,在這個(gè)階段,電流波形是一條斜率為負(fù)的斜線。如下圖:

wKgaomT9xKiAV4VEAAFcLxvp2yY483.png


圖7

設(shè)計(jì)技巧及主要技術(shù)參數(shù)選用要求

DC-DC電路設(shè)計(jì)至少要考慮以下條件:

A、外部輸入電源電壓的范圍,輸出電流的大小。

B、DC-DC輸出的電壓,電流,系統(tǒng)的功率最大值。

(1) 輸入/輸出電壓 (Input &Output Voltage):Vin/Vout

要按照器件的推薦工作電壓范圍選用,并且要考慮實(shí)際電壓的波動(dòng)范圍,確保不能超出器件規(guī)格

(2) 輸出電流(Output Current):Iout

器件持續(xù)的輸出電流能力是一個(gè)重要的參數(shù),選用時(shí)要參考此參數(shù),并要保留一定的余量。

此參數(shù)的選取還要評(píng)估電路的瞬間峰值電流和發(fā)熱的情況,綜合來確定,并滿足降額要求。

(3) 紋波(Output ripple):Vpk-pk

紋波是衡量電路的輸出電壓波動(dòng)的重要參數(shù)。要關(guān)注輕載和重載紋波,一般輕載紋波要大。注意核電等場合下輕載紋波是否會(huì)超出要求。實(shí)際測試下各種場景負(fù)載下的情況。通常選用示波器20M帶寬來測試。

(4) 效率(Efficiency)

要同時(shí)關(guān)注輕載和重載兩種情況。輕載會(huì)影響待機(jī)功率,重載影響溫升。通常看12V輸入,5V輸出下10mA的效率,一般要80%以上。

(5) 瞬態(tài)響應(yīng) (Transient response)

瞬態(tài)響應(yīng)特性反應(yīng)負(fù)載劇烈變化時(shí)系統(tǒng)是否能及時(shí)調(diào)整以保證輸出電壓的穩(wěn)定。要求輸出電壓波動(dòng)越小越好,一般按峰峰值10%以下要求。

實(shí)際要注意按推薦值選用反饋電容。常見取值在22p到120pF。買元器件現(xiàn)貨上唯樣商城

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圖9

(6) 開關(guān)頻率 (Switching Frequency) :fsw

常用的開關(guān)頻率多數(shù)在500kHz以上。較高的開關(guān)頻率1.2M到2M的也有,由于頻率高開關(guān)損耗增加IC散熱設(shè)計(jì)要好,故主要集中在5V低壓輸入小電流的產(chǎn)品。開關(guān)頻率關(guān)系到電感電容的選用,其它如EMC,輕載下噪音等問題也與之有關(guān)。


(7)反饋參考電壓及精度:Vref

反饋電壓要與內(nèi)部的參考電壓相比較,配合外部的反饋分壓電阻,輸出不同電壓。不同產(chǎn)品的參考電壓會(huì)有不同,如0.6~0.8V,替換時(shí)注意調(diào)整反饋電阻。

反饋電阻要選用1%精度,只要根據(jù)廠家推薦來選,一般不要選的過大,以免影響穩(wěn)定性。

參考電壓精度影響輸出準(zhǔn)確度,常見精度在2%以下,如1%~1.5%,精度高的產(chǎn)品成本會(huì)有差別,根據(jù)需要選擇。

(8) EN電平

EN高低電平要滿足器件規(guī)格要求,有些IC不能超出特定電壓范圍;電阻分壓時(shí)注意滿足及時(shí)關(guān)斷,并且考慮電壓波動(dòng)最大范圍內(nèi)要滿足。

由于時(shí)序控制的需要,該引腳會(huì)增加電容,為了電平調(diào)節(jié)和關(guān)斷放電,同時(shí)要有對(duì)地電阻。

(10) 保護(hù)性能


要有過流保護(hù)OCP,過熱保護(hù)OTP等,并且保護(hù)后條件消失能自恢復(fù)。

(11) 其它

要求有軟啟動(dòng);熱阻和封裝;使用溫度范圍要能覆蓋高低溫等。

器件選型一般原則

? 普遍性

? 高性價(jià)比

? 易采購生命周期長

? 兼容和可替代

? 資源節(jié)約

? 降額

? 易生產(chǎn)和歸一化

外圍器件選擇的要求

1、輸入電容:

要滿足耐壓和輸入紋波的要求。一般耐壓要求1.5~2倍以上輸 入電壓。注意瓷片電容的實(shí)際容量會(huì)隨直流電壓的偏置影響而減少。

2、輸出電容:

要滿足耐壓和輸出紋波的要求。一般耐壓要求1.5~2倍 。

紋波和電容的關(guān)系:

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3、BST電容:

按照規(guī)格書推薦值。一般0.1uF-1uF。耐壓一般要高于輸入電壓。

4、電感:

不同輸出電壓的要求感量不同;注意溫升和飽和電流要滿足余量要求,一般最大電流的1.2倍以上(或者電感的飽和電流必須大于最大輸出電流+0.5*電感紋波電流)。通常選擇合適的電感值L,使ΔIL占輸出電流的30% to 50%。計(jì)算公式:

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5、VCC電容:按規(guī)格書 要求取值,不能減小,也不要太大,注意耐壓。

6、反饋電容:

按規(guī)格書 要求取值,不同廠家芯片取值不同,輸出電壓不同也會(huì)有不同的要求。

7、反饋電阻和EN分壓電阻:

要求按規(guī)格書取值,精度1%。

PCB設(shè)計(jì)要求


1、輸入電容就近放在芯片的輸入Vin和功率的PGND,減少寄生電感的存在,因?yàn)檩斎腚娏鞑贿B續(xù),寄生電感引起的噪聲對(duì)芯片的耐壓以及邏輯單元造成不良影響 。電容地端增加過孔,減少阻抗。

2、功率回路盡可能的短粗,保持較小的環(huán)路面積,較少噪聲輻射。SW是噪聲源,保證電流的同時(shí)保持盡量小的面積,遠(yuǎn)離敏感的易受干擾的位置。如,電感靠近SW引腳,遠(yuǎn)離反饋線。輸出電容靠近電感,地端增加地過孔。

3、VCC電容應(yīng)就近放置在芯片的VCC管腳和芯片的信號(hào)地之間,盡量在一層,不要有過孔。

4、FB是芯片最敏感,最容易受干擾的部分,是引起系統(tǒng)不穩(wěn)定的最常見原因 。

1)FB電阻連接到FB管腳竟可能短,靠近IC放置,減少噪聲的耦合;FB下分壓電阻通常接信號(hào)地AGND;

2)遠(yuǎn)離噪聲源,SW點(diǎn),電感,二極管(非同步buck);FB走線包地;

3)大電流負(fù)載的FB在負(fù)載遠(yuǎn)端取,反饋電容走線要就近取。

5、BST的電容走線盡量短,不要太細(xì)。

6、芯片散熱要按設(shè)計(jì)要求,盡量在底下增加過孔散熱。.

審核編輯 黃宇

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