DC－DC电源降压电路设计及其功率电感的选型介绍

Colbie

DC－DC电源降压电路设计及其功率电感的选型介绍

( g  z9 S5 h# j! c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。
- D! P6 J+ Q2 V2 r6 b
/ e* D2 P! j/ D5 @* o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。

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。
  q) l& M- Z5 n$ C- E5 P
$ a0 I( ^1 t7 h7 Y" `5 t; m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。
2 u1 X0 F: b; y$ L# z& v
3 P; D. s7 j, E$ C# z7 E降压电路设计

; v: ~9 w* J9 h/ m0 T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。
& T' ^; P/ G  a) C9 Y8 @) v8 q
* d* ~/ a' h1 R; s* i, A& L, I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。
$ D" B  e, q) M% i
例一：9V转5V电路设计
- l' m( L% R, t
1） 下图为Silergy的SY8120型号。具体自查规格书。
% @# e# |5 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。

9 B$ c6 F# y7 U% e5 E. U% ?* X下表红色部分为主要关注参数。

- ~/ K+ j' ?  n- V4 ]8 j! ^4 V/ oIq 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。

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。
) p% c4 G- X1 N) y( r& R1 U
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。
3 X, H9 m9 x+ X. |- y( j1 q
/ r8 u$ [2 }$ |, C6 y3 A5 l上下MOSFET的RDS（on），越小约好，会影响到输出效率，静态功耗。
3 @* T  S: O( X( q" j
+ B; A8 N8 O# }5 |5 @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。

4 B* a* ?- N4 b6 k# S) C6 nVEN，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。

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。

2） 电源设计电路

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。
/ S# J! g& a# d# D
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。

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。
7 F: y4 }: y" a* l+ |; F
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。
* H  \  y2 P: h
' ^5 S4 W( p1 I' f5 }Vout=0.6*(R43/R44)
( v9 w8 k9 l, u: {, o& `* T6 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。

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。

& f" c9 d. T; e& V7 f" [+ d6 l8 B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。
! L% m2 c- \. [' _# i# ~& s5 m
2 v: p- V9 y  F' k  W纹波电流的计算公式：

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。

/ y+ {& F: r2 O4 o% X* E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。
6 a; H5 R1 u8 ]7 z- K5 u# f
2 q% Z' _/ @* c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
3 J" w4 D* N* ]6 L- F
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。
* y5 p+ ?/ Q! d5 W, w! F
# ^/ G2 I' L" A3 Z: \2 x% N0 u7 Y
; k# `: O9 d* Z1 w/ y+ e: ]

yxlk

谢谢分享