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DC-DC电源降压电路设计及其功率电感的选型介绍

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    DC-DC电源降压电路设计及其功率电感的选型介绍

    - H. I" G& ]2 c9 X8 O- r4 {
    $ O' O  ?/ `& _. j有的是分立电源(即一个电路一个输出电压),有的则是集成电源,例如PMU,存在多个电源输出,满足不同的需求。分立与集成各有优点。
    0 `( s1 L" F4 r& _( A2 m
    5 f, f1 g  ~2 x4 M, k5 h+ q- y' t分立电源电路的优点:单体价格便宜,电路设计复杂,输出容易调整,可输出大负载能力,散热好。缺点:占PCB的面积较大,电源系统总成本可能会高于集成电源电路(具体问题具体分析),EMI较差。2 n3 H+ d6 k+ o* Q' d
    $ Q, D6 ]) G2 O6 n1 }
    集成电源电路的优点:输出电源种类多,电路设计简单,器件数量少,所占PCB面积小,节省空间,EMI较好。缺点:因集成度高,输出的功率较小,体积小不容易散热,严重情况会出现烧坏,单体价格较贵。
    4 r7 u" d. Y2 t% ?& h$ b( s " H% \0 l: B5 {: |2 V6 O) T& l
    因功率电感在电源设计中属于非常重要的器件,所以这里一起介绍。
    . A7 k0 w3 a8 m& S" U8 y; |3 s) b* W 6 o( l  P& u# s- n
    降压电路设计
    5 p$ i+ C9 `  M/ G1 K4 S / I) d0 T5 |. Y6 ~, `
    一般在设计之初工程师提出具体的设计参数,例如:DC-DC工作频率、输入电压范围、输出电压范围、输出最大电流、输出纹波、效率、封装等。5 ^( C1 D% P) l+ o, u
      |- F5 {+ _, a/ Q% i+ x( u1 q
    大部分电子设备中存在的电压为5V、3.3V,CPU小系统可能还存在1.8V、1.2V、或其他电源,在移动通讯中,常用的电源为3.8V。因原理一样,这里只举例5V和3.3V电源设计。$ j" L: f+ L! N8 X$ Q
    , X) ~( k2 C- P$ t& a
    例一:9V转5V电路设计
    , c7 z  w% k# V
    5 A2 v: x+ s. d5 o! j" X) Q3 }1) 下图为Silergy的SY8120型号。具体自查规格书。
    6 O6 i4 p! [$ G& n7 R" I; W
    简单介绍下规格参数:该芯片工作频率为500KHz,输入电压范围4.5V~18V,输出电流为2A,高效率,SOT23-6小封装。  V  [3 Q% G5 T# R  X; P1 Z9 o

    6 O! S8 S( Q6 U. J9 G下表红色部分为主要关注参数。! O7 J8 Y7 U( ]; D. Q( ?$ z, K. C: j

    & w+ Y) ]1 q- [8 M5 YIq 静态电流,当输出空载时芯片自耗电,主要考虑领域为待机功耗。* G/ Z8 Q3 z- W# ^/ x1 Y/ u

    + b" ~* h; A: Q/ w& O8 oVref为反馈参考电压,在芯片内部存在一个比较器,用于输出调节,是芯片的主要参数之一,通过反馈电阻网络调节输出电压。
    : a  e! |: g3 D. _) J ( n4 Z: k8 T  H# E; q
    IFB是决定了反馈电阻网络的取值范围,如果此电流设计过大,会造成待机功耗增大,如果设计过小,反馈失效,导致输出不正常。& v7 E- |' i. N- r+ S8 k7 O

    : O# [& J% Q  |" `上下MOSFET的RDS(on),越小约好,会影响到输出效率,静态功耗。$ D6 |5 V3 D+ `$ ~# c9 }
    & r5 c" W! Y$ X" v0 D5 z5 i
    ILIM是上下MOS的极限电流值,很多厂家,这个参数只有典型值或最小值,没有最大值,其实是为了自己规避问题,在设计中,按照典型值或最小值进行设计,基本能满足设计要求,但如果在输出负载超过这个值后,电源IC就会烧毁,上MOS几率最大。因此如果规格中设置了最大值,说明这个IC存在过流保护,在设计中是个很好的选择。( ]! V( |2 g. r" M7 I8 h9 V. q: n
    ; i. O- N! H) H4 w. K
    VEN,是芯片开关功能,一般内部为一个施密特触发器,高于一个电压才能打开,小于一个电压才能关闭。在设计中,可能会出现无法关机的现象,因为系统中存在较多的电容,在关机过程中,电源下电时间等因素,导致这个问题的存在。所以重点关注下电时间点电压。
    1 G9 [+ P0 W7 v3 m1 ~ 0 f  F  x% Q, i  U9 }+ ]
    FSW,为芯片的主要开关频率,是电源设计中的非常重要的参数,影响了后面的输出电流设计,电感的选型和输出电容的选择。5 Z5 C. m; |5 y- I1 p
    2) 电源设计电路
    4 K3 O# D; b, L$ F% T, i: o* D! ^
    设计电路中,设计基本参数为:VIN大概为9V,输出电压为5V,输出电流1Amax,纹波小于50mV。4 p9 ]! K: ~. N" r6 D3 v( }. t
    ( j/ R- q/ v( G
    图中分为6个部分,按照序号,分别为:输入电容,自举电容,电感,反馈电阻,输出电容,缓启动。4 f7 W( r+ t( O
    # p  N8 u4 \! T3 J& R
    框1:一般输入电容为规格书建议值,一般为uF级,用于续流,防止在负载突然增大时,影响前面的电源,使前面的电源出现波动,如果存在高频滤波电容,需放置在IC附近。2 ]3 Y# j% X% |3 T
    ' D, Q8 s  H; G7 e  |+ E' Y
    框4:设计输出电压,要得到约5V的输出电压,因考虑电路中的线损,输出略高于5V。根据下面的公式,计算得到输出电压5.289V。5 B; K" P- q) }" [' M; H

    : _5 ?9 Y2 N+ i9 @- j9 T/ E7 L3 dVout=0.6*(R43/R44)
    0 |+ D: N0 ]3 B. _! V9 y8 C$ z
    4 N* d5 k1 p5 l1 s! I- V框3:根据规格书中给出的公式计算。电路输入电压范围为7~12V(典型值9V),输出电压约为5.289V,输出电流最大约为1A,当输入电压为7V时,通过计算得到电感约为6.5uH,当输入为12V时,计算得电感约为14.8uH,选择常用的10uH电感。输入电压为9V时,根据公式,输出的最大电流约为1.09A,基本能满足要求。电感的额定电流要约为输出电流的1.5倍,那么选用额定电流1.68A的电感,能够满足要求。* @7 _1 @6 |( q6 |& f& X& T7 _# I
    框2:有的电路外部自举电路,而有的则在内部。一般为0.1uf,使上MOS持续导通。, s* L% B2 y1 F, k3 F

    * |3 ?- V9 |: Y框5:输出电容根据规格书要求最小为22uF,选用低ESR的MLCC电容两个10uF,如果规格书没有提出,需要根据下面计算公式得出。  i  ?: O$ Q& x

    4 y! I- O2 `: t! \) [纹波电流的计算公式:7 c/ E, @& f& x! b# G, Q3 r
    输出的电容为20.1uF,因MLCC的ESR很小,可忽略,根据下面的公式得到纹波电压约为10mV,满足要求。& Y9 P4 s0 s# A# h

    4 u  e) J8 g/ a/ n' k8 H框6:阻容器件并联,起到延时缓启动的作用,同时在关电时,对地电阻起到迅速放电的作用。. _) o& w  N6 h3 N8 K0 ?

    ' h- Q7 C4 g8 R0 [% x3 M放置R43上并联C60,有助于增加负载瞬态响应速度和输出稳定性,一般为10pf~22pf
    4 g1 M+ Y' S+ ] 1 e) J0 ]% ~' o  t: L
    在实际的工作中,一切可以调整的因素都是相对稳定的,并且带有一定的实际工作误差。因此在考虑开关频率、L和C的取值时,要考虑干扰因素,选取受到很多因素影响的一个折中的结果。. J' }, B" I0 N* a6 D8 o
    0 D1 i( J; J# j3 d: B, C# R
    " f+ `! l5 w1 h) [. X
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