对DC/DC电源转换设计的一些总结

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搞嵌入式的工程师们往往把单片机、ARM、DSP、FPGA搞的得心应手，而一旦进行系统设计，到了给电源系统供电，虽然也能让其精心设计的程序运行起来，但对于新手来说，有时可能效率低下，往往还有供电电流不足或过大引起这样那样的问题，本文11大金律轻松搞定DC/DC电源转换电路设计。
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01搞懂DC/DC电源怎么回事
       DC/DC电源电路又称为DC/DC转换电路，其主要功能就是进行输入输出电压转换。一般我们把输入电源电压在72V以内的电压变换过程称为DC/DC 转换。常见的电源主要分为车载与通讯系列和通用工业与消费系列，前者的使用的电压一般为48V、36V、24V等，后者使用的电源电压一般在24V以下。不同应用领域规律不同，如PC中常用的是12V、5V、3.3V，模拟电路电源常用5V 15V，数字电路常用3.3V等，现在的FPGA、DSP还用2V以下的电压，诸如1.8V、1.5V、1.2V等。在通信系统中也称二次电源，它是由一次电源或直流电池组提供一个直流输入电压，经DC/DC变换以后在输出端获一个或几个直流电压。

02需要知道的DC/DC转换电路分类
7 H% ?3 T. [0 ~) iDC/DC转换电路主要分为以下三大类：
①稳压管稳压电路；
+ p* T- N% t2 y& K7 _/ [2 w②线性 (模拟)稳压电路；
1 k$ t0 k5 C% H9 Y3 j9 ~③开关型稳压电路。
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, I0 s/ i- ~! e! |3 W; G* c0 w6 E03最简单的稳压管电路设计方案
( G4 Z  y% N9 R3 e- V5 T% x% j9 n: g% y" F       稳压管稳压电路电路结构简单，但是带负载能力差，输出功率小，一般只为芯片提供基准电压，不做电源使用。比较常用的是并联型稳压电路，其电路简图如图(1)所示，
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       选择稳压管时一般可按下述式子估算： (1) Uz=Vout；(2)Izmax=(1.5-3)ILmax；(3)Vin=(2-3)Vout 这种电路结构简单，可以抑制输入电压的扰动，但由于受到稳压管最大工作电流限制，同时输出电压又不能任意调节，因此该电路适应于输出电压不需调节，负载电流小，要求不高的场合，该电路常用作对供电电压要求不高的芯片供电。

! l( C7 j. d# |$ c04基准电压源芯片稳压电路
       稳压电路的另一种形式，有些芯片对供电电压要求比较高，例如AD DA芯片的基准电压等，这时常用的一些电压基准芯片如TL431、MC1403 ,REF02等。TL431是最常用基准源芯片，有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref(2.5V)到36V范围内的任何值。最常用的电路应用如下图示，此时Vo=(1+R1/R2)Vref。选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出，特别地，当R1=R2时，Vo=5V。
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       其他的几个基准电压源芯片电路类似。
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05串联型稳压电源的电路认识
       串联型稳压电路属直流稳压电源中的一种，其实是在三端稳压器出现之前比较常用的直流供电方法，在三端稳压器出现之前，串联稳压器通常有OP放大器和稳压 二极管构成误差检测电路，如下图，该电路中，OP放大器的反向输入端子与输出电压的检测信号相连，正向输入端子与基准电压Vref相连，Vs=Vout*R2/(R1+R2)。由于放大信号ΔVs为负值，控制晶体管的基级电压下降，因此输出电压减小在正常情况下，必有 Vref=Vs=Vout*R2/(R1+R2)，调整R1，R2之比可设定所需要的输出电压值。
' t: s9 T0 J$ Q8 v2 O# Y) f       图中所示只是这也是三端稳压器的基 本原理，其实负载大小可以可以把三极管换成达林顿管等等，这种串联型稳压电路做组成的直流稳压电源处理不当，极易产生振荡。现在没有一定模拟功底的工程师，一般现在不用这种方法，而是直接采用集成的三端稳压电路，进行DC/DC转换电路的使用。

, t2 H* c! G3 e' o06线性(模拟)集成稳压电路常用设计方案
: ~/ \% b$ a1 S% X       线性稳压电路设计方案主要以三端集成稳压器为主。三端稳压器，主要有两种：
0 x, W. u6 b- n; o2 S0 Y. A       一种输出电压是固定的，称为固定输出三端稳压器，三端稳压器的通用产品有78系列(正电源)和79系列(负电源)，输出电压由具体型号中的后面两个数字 代表，有5V，6V，8V，9V，12V，15V，18V，24V等档次。输出电流以78(或79)后面加字母来区分。L表示0.1A,M表示0.5A， 无字母表示1.5A，如78L05表求5V 0.1A。
       另一种输出电压是可调的线性稳压电路，称为可调输出三端稳压器，这类芯片代表是LM317(正输出)和LM337(负输出)系列。其最大输入输出极限差值在40V，输出电压为1.2V-35V(-1.2V--35V)连续可调，输出电流为0.5-1.5A，输出端与调整端之间电压在1.25V，调整端静态电流为50uA。
5 Q  v1 v+ {* m  {       其基本原理相同，均采用串联型稳压电路。在线性集成稳压器中，由于三端稳压器只有三个引出端子，具有外接元件少，使用方便，性能稳定，价格低廉等优点，因而得到广泛应用。
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07DC/DC转换开关型稳压电路设计方案
       上面所述的几种DC/DC转换电路都属于串联反馈式稳压电路，在此种工作模式中集成稳压器中调整管工作在线性放大状态，因此当负载电流大时，损耗比较大，即转换效率不高。因此使用集成稳压器的电源电路功率都不会很大，一般只有2-3W，这种设计方案仅适合于小功率电源电路。
; u# e/ s. d- I9 a       采用开关电源芯片设计的DCDC转换电路转化效率高，适用于较大功率电源电路。目前得到了广泛的应用，常用的分为非隔离式的开关电源与隔离式的开关电源电路。
       DC/DC转换开关型稳压电路设计方案，采用开关电源芯片设计的DCDC转换电路转化效率高，适用于较大功率电源电路。目前得到了广泛的应用，常用的分为非隔离式的开关电源与隔离式的开关电源电路。当然开关电源基本的拓扑包括降压型、升压型、升降压型及反激、正激、桥式变化等等。

7 t* k2 ]  t" a6 m! }2 t2 ^08非隔离式DC/DC开关转换集成电路芯片电路设计方案
" W% D# s- b6 D  R7 T9 n       DC/DC开关转换集成电路芯片，这类芯片的使用方法与第六条中的LM317非常相似，这里用L4960举例说明，一般是先使用50Hz电源变压器进行 AC-AC变换，将220V降至开关电源集成转换芯片输入电压范围比如1.2～34V，由L4960进行DC-DC变换，这时输出电压的变化范围下可调至5V，上调至40V，最大输出电流可达2.5A(还可以接大功率开关管进行扩流)，并且内设完善的保护功能，如过流保护、过热保护等。尽管L4960的使用方法与LM317差不多，但开关电源的L4960与线性电源的LM317相比，效率不可同曰而语，L4960最大可输出100W的功率 (Pmax=40V*2.5A=100W)，但本身最多只消耗7W，所以散热器很小，制作容易。与L4960类似的还有L296，其基本参数与L4960相同，只是最大输出电流可高达4A，且具有更多的保护功能，封装形式也不一样。这样的芯片比较多，比如，LM2576系列，TPS54350，LTC3770等等。一般在使用这些芯片时，厂家都会详细的使用说明和典型电路供参考。

09隔离的DC/DC开关电源模块电路设计方案
常用的隔离DC/DC转换主要分为三大类：
1、反激式变换；
2、正激式变换；
7 c4 t, Q- i# b0 @3、桥式变换。
       常用的单端反激式DC/DC变换电路，这类隔离的控制芯片型号也不少。控制芯片典型代表是常用的UC3842系列。这种是高性能固定频率电流的控制器，主要用于隔离AC/DC、DC/DC转换电路。其主要应用原理是：电路由主电路、控制电路、启动电路和反馈电路4部分组成。主电路采用单端反激式拓扑，它是升降压斩波电路演变后加隔离变压器构成的，该电路具有结构简单，效率高，输入电压范围宽等优点。控制电路是整个开关电源的核心，控制的好坏直接决定了电源整体性能。这个电路采用峰值电流型双环控制，即在电压闭环控制系统中加入峰值电流反馈控制。这类方案选择合适的变压器及mos管可以把功率做的很大，与前面几种设计方案相比电路结构复杂，元器件参数确定比较困难，开发成本较高，因此需要此方案时可以优先选择市面上比较廉价的DC/DC隔离模块。

* J, [+ H1 r. k+ w% @10DC/DC开关集成电源模块方案
  T/ R" ]2 K5 E0 _- b% E       很多微处理器和数字信号处理器(DSP)都需要内核电源和一个输入/输出(I/O)电源，这些电源在启动时必须排序。设计师们必须考虑在加电和断电操作时内核和I/O电压源的相对电压和时序，以符合制造商规定的性能规格。如果没有正确的电源排序，就可能出现闭锁或过高的电流消耗，这可能导致微处理器I /O端口或存储器、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)或数据转换器等支持器件的I/O端口损坏。为了确保内核电压正确偏置之前不驱动I/O负载，内核电源和I/O电源跟踪是必需的。现在有专门的电源模块公司量身定做一些专用的开关电源模块，主要是那些对除去常规电性能指标以外，对其体积小，功率密度高，转换效率高，发热少，平均无故障工作时间长，可靠性好，更低成本 更高性能的DC/DC电源模块。这些模块结合了实现即插即用(plug-and-play)解决方案所需的大部分或全部组件，可以取代多达40个不同的组件。这样就简化了集成并加速了设计，同时可减少电源管理部分的占板空间。
, |, F- I* `1 P3 f5 R       最传统和最常见的非隔离式DC/DC电源模块仍是单列直插(SiP)封装。这些开放框架的解决方案的确在减少设计复杂性方面取得了进展。然而，最简单的是在印刷电路板上使用标准封装的组件。
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11DC/DC电源转换方案的选择注意事项
       本条金律也是本文的总结，很重要。本文这里主要大致介绍了DCDC电源转换的稳压管稳压、线性(模拟)稳压、DCDC开关型稳压三种电路模式的几种常用的设计方法方案。
①需要注意的是稳压管稳压电路不能做电源使用，只能用于没有功率要求的芯片供电；
; {7 |% V  M+ l# W* t4 i2 P5 `# ^2 U②线性稳压电路电路结构简单，但由于转化效率低，因此只能用于小功率稳压电源中；
5 ?/ W# @. p0 t/ k4 D% _  K- H! {③开关型稳压电路转化效率高，可以应用在大功率场合，但其局限性在电路结构相对复杂(尤其是大功率电路)，不利于小型化。因此在设计过程中，可根据实际需要选择合适的设计方案。

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