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DC-DC電源降壓電路設(shè)計及其功率電感的選型介紹

發(fā)布時間:2019-01-31 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】在電子設(shè)備中,DC-DC電源是基本功能單元,有降壓電路、升壓電路、或升降壓電路等。一般以降壓電路、升壓電路使用最多。因功率電感在電源設(shè)計中屬于非常重要的器件,所以這里一起介紹。
 
有的是分立電源(即一個電路一個輸出電壓),有的則是集成電源,例如PMU,存在多個電源輸出,滿足不同的需求。分立與集成各有優(yōu)點。
 
分立電源電路的優(yōu)點:單體價格便宜,電路設(shè)計復(fù)雜,輸出容易調(diào)整,可輸出大負載能力,散熱好。缺點:占PCB的面積較大,電源系統(tǒng)總成本可能會高于集成電源電路(具體問題具體分析),EMI較差。
 
集成電源電路的優(yōu)點:輸出電源種類多,電路設(shè)計簡單,器件數(shù)量少,所占PCB面積小,節(jié)省空間,EMI較好。缺點:因集成度高,輸出的功率較小,體積小不容易散熱,嚴重情況會出現(xiàn)燒壞,單體價格較貴。
 
因功率電感在電源設(shè)計中屬于非常重要的器件,所以這里一起介紹。
 
降壓電路設(shè)計
 
一般在設(shè)計之初工程師提出具體的設(shè)計參數(shù),例如:DC-DC工作頻率、輸入電壓范圍、輸出電壓范圍、輸出最大電流、輸出紋波、效率、封裝等。
 
大部分電子設(shè)備中存在的電壓為5V、3.3V,CPU小系統(tǒng)可能還存在1.8V、1.2V、或其他電源,在移動通訊中,常用的電源為3.8V。因原理一樣,這里只舉例5V和3.3V電源設(shè)計。
 
例一:9V轉(zhuǎn)5V電路設(shè)計
 
1) 下圖為Silergy的SY8120型號。具體自查規(guī)格書。
 
 
簡單介紹下規(guī)格參數(shù):該芯片工作頻率為500KHz,輸入電壓范圍4.5V~18V,輸出電流為2A,高效率,SOT23-6小封裝。
 
下表紅色部分為主要關(guān)注參數(shù)。
 
Iq 靜態(tài)電流,當(dāng)輸出空載時芯片自耗電,主要考慮領(lǐng)域為待機功耗。
 
Vref為反饋參考電壓,在芯片內(nèi)部存在一個比較器,用于輸出調(diào)節(jié),是芯片的主要參數(shù)之一,通過反饋電阻網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)輸出電壓。
 
IFB是決定了反饋電阻網(wǎng)絡(luò)的取值范圍,如果此電流設(shè)計過大,會造成待機功耗增大,如果設(shè)計過小,反饋失效,導(dǎo)致輸出不正常。
 
上下MOSFET的RDS(on),越小約好,會影響到輸出效率,靜態(tài)功耗。
 
ILIM是上下MOS的極限電流值,很多廠家,這個參數(shù)只有典型值或最小值,沒有最大值,其實是為了自己規(guī)避問題,在設(shè)計中,按照典型值或最小值進行設(shè)計,基本能滿足設(shè)計要求,但如果在輸出負載超過這個值后,電源IC就會燒毀,上MOS幾率最大。因此如果規(guī)格中設(shè)置了最大值,說明這個IC存在過流保護,在設(shè)計中是個很好的選擇。
 
VEN,是芯片開關(guān)功能,一般內(nèi)部為一個施密特觸發(fā)器,高于一個電壓才能打開,小于一個電壓才能關(guān)閉。在設(shè)計中,可能會出現(xiàn)無法關(guān)機的現(xiàn)象,因為系統(tǒng)中存在較多的電容,在關(guān)機過程中,電源下電時間等因素,導(dǎo)致這個問題的存在。所以重點關(guān)注下電時間點電壓。
 
FSW,為芯片的主要開關(guān)頻率,是電源設(shè)計中的非常重要的參數(shù),影響了后面的輸出電流設(shè)計,電感的選型和輸出電容的選擇。
 
 
2) 電源設(shè)計電路
 
 
設(shè)計電路中,設(shè)計基本參數(shù)為:VIN大概為9V,輸出電壓為5V,輸出電流1Amax,紋波小于50mV。
 
圖中分為6個部分,按照序號,分別為:輸入電容,自舉電容,電感,反饋電阻,輸出電容,緩啟動。
 
框1:一般輸入電容為規(guī)格書建議值,一般為uF級,用于續(xù)流,防止在負載突然增大時,影響前面的電源,使前面的電源出現(xiàn)波動,如果存在高頻濾波電容,需放置在IC附近。
 
框4:設(shè)計輸出電壓,要得到約5V的輸出電壓,因考慮電路中的線損,輸出略高于5V。根據(jù)下面的公式,計算得到輸出電壓5.289V。
 
Vout=0.6*(R43/R44)
 
框3:根據(jù)規(guī)格書中給出的公式計算。電路輸入電壓范圍為7~12V(典型值9V),輸出電壓約為5.289V,輸出電流最大約為1A,當(dāng)輸入電壓為7V時,通過計算得到電感約為6.5uH,當(dāng)輸入為12V時,計算得電感約為14.8uH,選擇常用的10uH電感。輸入電壓為9V時,根據(jù)公式,輸出的最大電流約為1.09A,基本能滿足要求。電感的額定電流要約為輸出電流的1.5倍,那么選用額定電流1.68A的電感,能夠滿足要求。
 
 
框2:有的電路外部自舉電路,而有的則在內(nèi)部。一般為0.1uf,使上MOS持續(xù)導(dǎo)通。
 
框5:輸出電容根據(jù)規(guī)格書要求最小為22uF,選用低ESR的MLCC電容兩個10uF,如果規(guī)格書沒有提出,需要根據(jù)下面計算公式得出。
 
紋波電流的計算公式:
 
 
輸出的電容為20.1uF,因MLCC的ESR很小,可忽略,根據(jù)下面的公式得到紋波電壓約為10mV,滿足要求。
 
框6:阻容器件并聯(lián),起到延時緩啟動的作用,同時在關(guān)電時,對地電阻起到迅速放電的作用。
 
放置R43上并聯(lián)C60,有助于增加負載瞬態(tài)響應(yīng)速度和輸出穩(wěn)定性,一般為10pf~22pf
 
在實際的工作中,一切可以調(diào)整的因素都是相對穩(wěn)定的,并且?guī)в幸欢ǖ膶嶋H工作誤差。因此在考慮開關(guān)頻率、L和C的取值時,要考慮干擾因素,選取受到很多因素影響的一個折中的結(jié)果。
 
來源:元器件知識大全  
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