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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
    / {4 Q9 q3 |2 e# v7 \' k
    0 z: J. S  R4 }  d; I
    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。
    * k# t1 K1 B: {5 B/ ]2 ^  a0 c
    6 z0 m4 L7 Y1 P# d, M3 o$ A( ^5 z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。
    - \) B/ m# ~, y/ S9 `9 e& |# w " `) n6 {' V2 h; N* g
    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。2 |: m- b8 X+ ?7 q% H/ s

    # Y2 }* _- A! {8 j4 {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。5 l2 z& s* [, U. [8 f5 ?0 ^
    2 w0 ?: j  B7 W) P: ~2 \
    降压电路设计
    : R& z2 z" S4 Y7 Z! Q/ Q" b% e
    , R& ?% Q1 N( A$ Y% z& t, E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。
    ! N' l+ r6 t! z3 |9 q 2 z1 T" a/ e6 [& S
    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。
    9 Q8 M  K8 e2 S- }# J2 P+ M 7 L$ c, {4 o9 T* s
    例一:9V转5V电路设计. [! P* v7 o, B" S$ `

    % I7 r* l) e/ A. D- \2 k: e$ J, C0 _1) 下图为Silergy的SY8120型号。具体自查规格书。  N) t/ s& H+ x& C( T7 g
    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。* n2 t9 p  P9 H* Z) T

    : D, }9 `' g; V! N下表红色部分为主要关注参数。* [( C! q# v' |. ]
    1 J. ?2 `7 G) B, F. a6 s
    Iq 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。
    & ]" f9 ~1 X. M3 F3 A. k2 u- P % s2 s5 c( ^3 t1 W2 ~7 r3 y
    Vref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。
    : \" ~( @% G) I* J! @$ U1 R
    ) E$ y; o" E: h. |# q4 i; XIFB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。/ X( x- P( ?0 }1 h# o- O" e: q

    " f! r% g0 u: V  d, Q上下MOSFET的RDS(on),越小约好,会影响到输出效率,静态功耗。
    / h: N% A: I; g/ t- e 2 |, B0 ]0 [0 z& T1 H2 I" Z  U
    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。. m4 ]% P# N3 G2 ~; R- g4 |

    ; r( S6 o/ p6 ]" }0 e5 aVEN,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。& x. k0 J& Z. @0 f# G1 V# [+ U& D
    0 P4 c7 `) M, v, C8 I1 J1 u
    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。+ Y8 q8 A5 `' Q" b& z+ Q- [7 @! G
    2) 电源设计电路
    5 a4 |4 S# T; r1 U% g* m: G$ e/ S
    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。
    " g; [, E2 N: s; `1 C ) G, n+ y. T4 L: u* ^6 S: v6 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。
    * {  p' _. U" j9 ~3 {; T
    1 I- L( @- g# D8 C& C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。
    6 T1 g: L; l( T9 I5 b
    4 U$ B5 `6 s; _0 N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。
    - r' Q% f" i) Z. h
    ( W# ^! P* x4 S. X* C. [Vout=0.6*(R43/R44); Z/ U" q( n& l$ {# O$ h
    ; Y: {( P4 {+ A; q$ o: M. E
    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。
    ( P6 U* V- ?+ v
    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。& G" t& T! n. j5 A; H9 \1 ]' e

    ; M6 y( n3 U1 C6 i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。+ z# R# ?- e. }

    5 v0 g1 s3 t  v$ Q9 |) u$ [纹波电流的计算公式:
    " o1 {9 q& t4 v( 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。
    & `6 F1 [8 M2 b2 X& H9 G7 E* I 6 J2 f0 A  h7 |9 c
    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。
    : v# o5 f' D0 U2 M8 s. l
    # L1 A6 V+ g0 M$ S& K5 N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
    $ }- Q. s, w3 s* e" t& z! w & R) }& ~/ s# v! t1 H8 W/ U3 V
    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。! G% I# Z6 G& z+ r! w1 P

    / i) T& R% ]5 \* R: a" J$ }: d6 V: |# [* \- T% V
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