DC/DC電源和DC/DC轉(zhuǎn)換電路的分類

一、DC/DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)第一原則

首先，我們應(yīng)該了解 DC/DC 電源和 DC/DC 轉(zhuǎn)換電路的分類。

DC/DC電源電路也稱為 DC/DC 轉(zhuǎn)換電路，主要功能是進(jìn)行輸入/輸出電壓轉(zhuǎn)換。不同的應(yīng)用領(lǐng)域有不同的規(guī)律，如PC，常用12V、5V、3.3v，模擬電路供電常用5V、15V，數(shù)字電路常用3.3v。目前的FPGA和DSP也使用 2V 以下的電壓，如1.8v、1.5v、1.2v等，在通信系統(tǒng)中也稱為二次電源。

DC/DC 轉(zhuǎn)換電路主要分為以下三類：

(1) 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路

(2) 線性(模擬)穩(wěn)壓 電路

(3) 開關(guān)式穩(wěn)壓 電路

二、DC/DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)第二原則

齊納二極管是最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方案。該穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但負(fù)載能力差，輸出功率小。選擇齊納二極管時(shí)，可按如下估算：

(1) Uz=Vout；

(2) Izmax=(1.5-3)ILmax

(3)輸入電壓=(2-3)輸出電壓

該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以抑制輸入電壓的擾動(dòng)，但由于受穩(wěn)壓器最大工作電流、輸出電壓的限制，不能同時(shí)調(diào)節(jié)，因此該電路適用于不需要輸出電壓的場(chǎng)合待調(diào)整，負(fù)載電流小，要求不高。

齊納二極管穩(wěn)壓器電路圖

三、DC/DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)第三原則

穩(wěn)壓電路的另一種形式 ，有些芯片對(duì)電源電壓要求較高，如AD DA芯片的參考電壓等，此時(shí)常用一些常用的電壓參考芯片如TL431、MC1403、REF02等。

TL431是最常用的基準(zhǔn)源芯片，具有良好熱穩(wěn)定性的三端可調(diào)分壓源。它的輸出電壓可以通過兩個(gè)電阻任意設(shè)置為 Vref(2.5v) 和 36V 之間的任何值。其他幾種參考電壓源芯片電路類似。

四、DC/DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)第四原則

串聯(lián)穩(wěn)壓電源電路知識(shí)：串聯(lián)穩(wěn)壓器是直流穩(wěn)壓器的一種，實(shí)際上是三端穩(wěn)壓器出現(xiàn)之前常見的直流供電方式。在三端穩(wěn)壓器出現(xiàn)之前，串聯(lián)穩(wěn)壓器通常有OP放大器和穩(wěn)壓二極管組成檢錯(cuò)電路。

五、DC/DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)第五原則

線性（模擬）集成穩(wěn)壓電路的常用設(shè)計(jì)方案 。

線性穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)主要基于三端集成穩(wěn)壓器。三端穩(wěn)壓器主要有兩種類型：

第一類輸出電壓是固定的，稱為固定輸出三端穩(wěn)壓器。三端穩(wěn)壓器常見的產(chǎn)品有78系列（正電源）和79系列（負(fù)電源）。輸出電壓在具體型號(hào)中用最后兩位數(shù)字表示，分別為5V、6V、8V、9V、12V、15V、18V、24V等檔次。輸出電流以78（或79）后的字母區(qū)分，L表示0.1a，M表示0.5a，無字母表示1.5a。比如表78L05，5V就是0.1a。

另一種輸出電壓為可調(diào)線性穩(wěn)壓器，稱為可調(diào)輸出三端穩(wěn)壓器。這種芯片代表的是LM317（正輸出）和LM337（負(fù)輸出）系列。最大輸入/輸出限制差為40V，輸出電壓為1.2v-35v（-1.2v --35V），輸出電流為0.5-1.5a，輸出端與調(diào)節(jié)端之間的電壓為1.25v，調(diào)節(jié)端靜態(tài)電流為50uA。

這兩種基本原理相同，都是采用串聯(lián)穩(wěn)壓電路。在線性集成穩(wěn)壓器中，由于三端穩(wěn)壓器只有三個(gè)引出端，具有外圍元器件少、使用方便、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。

線性串聯(lián)穩(wěn)壓器

六、DC/DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)第六原則

DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)方案。上述DC/DC變換電路均屬于串聯(lián)反饋穩(wěn)壓電路。

在這種工作方式下，集成穩(wěn)壓器中的穩(wěn)壓管工作在線性放大狀態(tài)。因此，當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，損耗比較大，即轉(zhuǎn)換效率不高。因此，采用集成穩(wěn)壓器的電源電路的功率不是很大，一般只有2-3w。這種設(shè)計(jì)方案只適用于小功率供電電路。

采用開關(guān)電源芯片設(shè)計(jì)的DC/DC轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換效率高，適用于較大的電源電路。目前已得到廣泛應(yīng)用，分為非隔離開關(guān)電源電路和隔離開關(guān)電源電路。當(dāng)然，開關(guān)電源的基本拓?fù)溆薪祲?、升壓、升降壓和反激、正、橋變等?/p>

串聯(lián)反饋穩(wěn)壓器

七、DC/DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)第七原則

非隔離DC/DC開關(guān)及開關(guān)IC芯片設(shè)計(jì)方案。DC/DC開關(guān)集成電路芯片，這種芯片的使用方法在原理上與LM317類似。這里以L4960為例。

他們一般使用50Hz的電源變壓器進(jìn)行AC-AC變換，然后將下移~220V開關(guān)電源集成轉(zhuǎn)換芯片，比如輸入電壓范圍為1.2~34V，DC-DC經(jīng)L4960變換，然后在范圍以下輸出電壓可調(diào)至5V，增加至40V，最大輸出電流2.5A（也可接大功率開關(guān)管擴(kuò)流），并具有完善的保護(hù)功能，如過流保護(hù)、過熱保護(hù)等。

雖然 L4960 的使用方法與LM317類似，但開關(guān)電源L4960的效率與線性電源LM317的效率不同。L4960最大輸出功率可達(dá)100W（Pmax=40V*2.5A=100W），但最多只消耗7W，所以散熱器體積小，制作容易。與L4960類似的還有L296，其基本參數(shù)與L4960相同，但最大輸出電流可達(dá)4A，保護(hù)功能更多，封裝形式不同。這種芯片比較多，比如LM2576系列、TPS54350、LTC3770等。一般廠家都會(huì)提供詳細(xì)的使用說明和典型電路供使用這些芯片時(shí)參考。

開關(guān)穩(wěn)壓器

八、DC/DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)第八原則

隔離式DC/DC開關(guān)電源模塊電路設(shè)計(jì)方案，常用的隔離DC/DC變換主要分為三類：

1、反激變換

反激式轉(zhuǎn)換器示意圖

2、正向變換

正激變換器總圖

3、單端反激式

我們常用的單端反激式DC/DC轉(zhuǎn)換電路，這種隔離控制芯片型號(hào)也不少?？刂菩酒湫痛硎荱C3842系列。本控制器是一款高性能定頻電流控制器，主要用于隔離AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換電路。

其主要應(yīng)用原理是：電路由主電路、控制電路、啟動(dòng)電路和反饋電路組成。主電路采用單端反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由升壓斬波電路和演化后的隔離變壓器組成。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、輸入電壓范圍寬?？刂齐娐肥钦麄€(gè)開關(guān)電源的核心。

本電路采用峰值電流二環(huán)控制，即 在電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)中加入峰值電流反饋控制。這種方案中變壓器和MOS管的功率可以很大。與以往的設(shè)計(jì)方案相比，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元器件參數(shù)難以確定，開發(fā)成本較高。因此，當(dāng)需要該方案時(shí)，可以優(yōu)先選擇市場(chǎng)上價(jià)格相對(duì)便宜的DC/DC隔離模塊。

九、DC/DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)第九原則

DC/DC開關(guān)一體化電源模塊方案，許多微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 需要內(nèi)核電源和輸入/輸出 (I/O) 電源，它們必須在啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行排序。

設(shè)計(jì)人員必須考慮內(nèi)核和 I/O 電壓源在上電和斷電操作期間的相對(duì)電壓和時(shí)序，以滿足制造商的性能規(guī)范。如果沒有正確的電源排序，可能會(huì)發(fā)生閉鎖或過度電流消耗，這可能會(huì)導(dǎo)致微處理器、可編程邏輯設(shè)備 (PLD)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 或支持設(shè)備的 I/O 端口出現(xiàn) I/O 端口或存儲(chǔ)器，例如由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器被損壞。

為了確保在內(nèi)核電壓正確偏移之前不驅(qū)動(dòng) I/O 負(fù)載，需要內(nèi)核電源和 I/O 電源跟蹤。

現(xiàn)在有專業(yè)的電源模塊公司定制一些特殊的開關(guān)電源模塊，主要針對(duì)DC/DC電源模塊，體積小，功率密度高，轉(zhuǎn)換效率高，發(fā)熱少，平均無故障工作時(shí)間長(zhǎng)，可靠性好，除了常規(guī)的電性能指標(biāo)外，成本更低，性能更高。

這些模塊結(jié)合了實(shí)現(xiàn)插件解決方案所需的大部分或全部組件，最多可替換 40 個(gè)不同的組件。這簡(jiǎn)化了集成并加快了設(shè)計(jì)速度，同時(shí)減少了電路板空間的電源管理部分。除了常規(guī)的電性能指標(biāo)外，成本更低，性能更高。

簡(jiǎn)化的 PAL 設(shè)備

最傳統(tǒng)和常見的非隔離式 DC/DC 電源模塊仍然是單列直插式 (SiP) 封裝。這些開放框架解決方案確實(shí)在降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性方面取得了進(jìn)展。然而，最簡(jiǎn)單的方法是在印刷電路板上使用標(biāo)準(zhǔn)封裝元件。

十、DC/DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)第十原則

選擇 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換方案的注意事項(xiàng)。這里需要注意三點(diǎn)：

1、穩(wěn)壓電路不能用于供電，只能給沒有電源要求的芯片供電。

2、采用線性方式的線性穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但轉(zhuǎn)換效率低，只能用于小功率穩(wěn)壓電源。

3、轉(zhuǎn)換效率高的開關(guān)式穩(wěn)壓電路可以應(yīng)用于大功率場(chǎng)合，但其局限是電路結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜(尤其是大功率電路)，不利于小型化。

基于以上十項(xiàng)原則，我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中就可以根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的設(shè)計(jì)方案。

編輯：黃飛

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