眾所周知,在硬件設(shè)計(jì)師領(lǐng)域,都會遇到的一類基礎(chǔ)電路設(shè)計(jì)便是電源設(shè)計(jì),其中開關(guān)電源(SMPS,Switched-Mode Power Supply)是一種非常高效的電源變換器,其轉(zhuǎn)換效率多達(dá)90%以上,種類繁多。
按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分:有Buck、Boost、Buck-Boost、Charge-pump等;按開關(guān)控制方式來劃分:又有PWM、PFM等;按開關(guān)管類別分:可分為BJT、FET、IGBT等。
對比傳統(tǒng)的線性電源,開關(guān)電源具備多種優(yōu)勢。此次我們就以拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分的方式,來討論在CCM模式下幾種開關(guān)電源設(shè)計(jì)思路。
1、電路運(yùn)行基本原理
圖1 Buck型電路
圖1 是簡化后的Buck電路主回路示意圖,其工作模式如下:
- K接通Ton時(shí)期,電流經(jīng)L流入負(fù)載R上,由輸入U(xiǎn)i為L進(jìn)行儲能,C為儲能濾波電容,同時(shí)帶起負(fù)載R,R兩端的電壓Uo在Ton期間為穩(wěn)定的直流電壓。
- K關(guān)斷Toff時(shí)期,L降產(chǎn)生反電動勢,電流由反電動勢eL正極流出,通過負(fù)載R,再經(jīng)過續(xù)流二極管D回到eL的負(fù)極。由于C的儲能穩(wěn)壓,Toff階段的輸出電壓Uo也是穩(wěn)定的直流電壓。
圖2 Boost型電路
圖2 是簡化后的Boost電路主回路示意圖,其工作模式如下:
- K接通Ton時(shí)期,Ui僅對L進(jìn)行充電,C為負(fù)載R供電,形成穩(wěn)定電壓Uo。
- K關(guān)斷Toff時(shí)期,為保持勵(lì)磁不變,L也會產(chǎn)生反電動勢eL。eL反電動勢的方向與開關(guān)K關(guān)斷前的方向相反,但與電流的方向相同,在負(fù)載兩段就會有Ui和eL疊加之和的穩(wěn)定輸出電壓。
圖3 Buck-Boost型電路
**圖3 **是簡化后的Buck-Boost電路主回路示意圖,其工作模式如下:
- 當(dāng)S1開關(guān)工作,S2處于常斷期間,回路為Buck工作模式
- 當(dāng)S2開關(guān)工作,S1處于常通期間,回路為Boost工作模式
2、電路外圍參數(shù)設(shè)計(jì)思路
1. 主要元件及參數(shù)
開關(guān)電源電路的主要元件有:
a) 有源開關(guān)(Switch:MOS,IGBT,Triode) ,有源開關(guān)是開關(guān)電源工作的核心,通過PWM或PFM等方式控制有源開關(guān)的開關(guān)切換,可有效實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的工作控制。因MOS具有極低的TON和TOFF時(shí)間,在開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)時(shí),多采用其作為有源開關(guān),部分集成式的芯片會內(nèi)置MOS(例TPS6292XX系列),但對于I out ≥5A的負(fù)載需求,一般采用外置MOS來解決。
針對Buck-Boost型電路有雙開關(guān)管和四開關(guān)管的主要工作模式,其中四開關(guān)管是將原理中的二極管換為開關(guān)管,例如LM5175構(gòu)成的Synchronous Buck-Boost電路:
圖4 Synchronous Buck-Boost電路
上述Synchronous Buck-Boost電路轉(zhuǎn)換效率優(yōu)于常規(guī)雙開關(guān)管模式。
b) 二極管Diode ,在開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)時(shí)所用的Diode一般為SBD,保證在高頻開關(guān)電源環(huán)境下的可靠導(dǎo)通與關(guān)斷,同時(shí)具有低壓降低功耗低溫升的優(yōu)點(diǎn)。選用二極管時(shí),除電壓降和反向耐壓裕量(建議30%以上)以外,正向電流考慮≥1.3*IOUTmax即可。
c)電感Indu****ctor ,電感在開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)中主要起儲能釋放,紋波調(diào)節(jié)的作用,設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的電感參數(shù)有電感量L、直流電阻R DCR 、通流能力I rms 、飽和電流I sat ,這三個(gè)參數(shù)主要由電感設(shè)計(jì)時(shí)采用的繞線圈數(shù)、繞線直徑、繞線材料和磁芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多方面決定,部分不帶磁芯的空心電感不存在飽和電流一說。
電感值的選擇一般參考下式:
式中,D~MIN ~— 為最小占空比;
F~SW~~ ~— 開關(guān)頻率;
確定了電感值的選取,接下來還需關(guān)注的便是飽和電流,在設(shè)計(jì)中,推薦飽和電流I sat ≥1.5*IOUT max 。
d) 電容Capacitor ,在這里我們主要討論的是開關(guān)電源的COUT,一般來說輸出電容的選擇主要取決于電容量和瞬態(tài)響應(yīng)之間的權(quán)衡,因?yàn)楦蟮碾娙萘靠梢詼p少瞬態(tài)響應(yīng)超調(diào)和欠調(diào)。在設(shè)計(jì)中我們希望電容的ESR盡可能小,采用鉭電容時(shí)需要盡可能采用2.5倍以上的耐壓值。電容值的選擇考慮輸出電壓下沖需要滿足:
考慮輸出電壓過沖需要滿足:
式中:IOH — 負(fù)載瞬態(tài)電流高值;
I~OL~ — 負(fù)載瞬態(tài)電流低值;
V~US~ — 輸出下沖電壓;
V~OS~ — 輸出過沖電壓;
在設(shè)計(jì)開關(guān)電源電路時(shí),電感和電容的參數(shù)多數(shù)需要配合進(jìn)行抉擇,以LM5152為例:
圖5 LM5152推薦電路示意圖
在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)需滿足:
而在Buck-Boost型電源芯片TPS638XX系列中,電感設(shè)計(jì)參數(shù)需滿足:
式中: D — 占空比;
? — 開關(guān)頻率;
L — 電感量;
? — 轉(zhuǎn)換效率。
圖6 TPS638XX系列推薦電路示意圖
在TPS638XX系列中,針對電感的設(shè)計(jì),電容給出了推薦設(shè)計(jì)參數(shù):
表2 TPS638XX系列推薦參數(shù)示意表
2. 優(yōu)化設(shè)計(jì)方向
- 對于輸出電容器,建議使用小型陶瓷電容器,盡可能靠近IC的VOUT和PGND等引腳。
- 排列好功率器件,以減小AC回路面積,必要時(shí)適當(dāng)布置銅箔鋪在功率地以輔助散熱。
- FB、COMP和ISET等類似引腳信號GND返回點(diǎn)以單點(diǎn)連接到功率地,提高抗干擾性能。
- FB、COMP和ISET等信號回路避開VIN與VOUT,避免受到干擾。
紋波(Ripple)的產(chǎn)生與抑制:
紋波是由于直流穩(wěn)壓電源的電壓波動而造成的一種現(xiàn)象,因?yàn)橹绷鞣€(wěn)壓電源一般是由交流電源經(jīng)整流穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)而形成的,這就不可避免地在直流穩(wěn)定量中多少帶有一些交流成分,同時(shí)開關(guān)電源自身工作時(shí),各儲能元件充放電過程也并非完全理想的瞬態(tài)響應(yīng),會有交流成分,這種疊加在直流量上的交流分量就是紋波。紋波的成分較為復(fù)雜,它的形態(tài)一般為頻率高于工頻的類似正弦波的諧波,另一種則是寬度很窄的脈沖波。
為了減小開關(guān)電源的紋波,設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí),對儲能元件的參數(shù)選取留有適當(dāng)?shù)挠嗔渴怯行Э刂谱陨砑y波的重要環(huán)節(jié);在兼顧轉(zhuǎn)換效率與紋波的場合,采用多增加中轉(zhuǎn)電壓轉(zhuǎn)換的形式是相對常用的方式,例如:12V-5V的場合,采用12V-6V-5V的形式進(jìn)行,也可有效的抑制前置電路帶來的干擾。
3、更多類型的開關(guān)電源電路
應(yīng)用形式擴(kuò)展
Buck實(shí)現(xiàn)負(fù)電壓升降壓:例TPS5430如下應(yīng)用,通過將原本參考設(shè)計(jì)中的GND作為VOUT,將原本的VOUT拉至GND,從而實(shí)現(xiàn)負(fù)電壓。
圖7 TPS5430負(fù)電壓輸出電路示意圖
Sepic實(shí)現(xiàn)升降壓:例LM5002采用Sepic調(diào)節(jié)器形式設(shè)計(jì)升降壓,使輸出為固定為12V,而VIN可進(jìn)行3.1V~42V的調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)升降壓功能。在Sepic電路中,L1與L2可以采用共模電感進(jìn)行設(shè)計(jì),電感量為非耦合電感的一半即可。
圖8 LM5002采用Sepic設(shè)計(jì)形式輸出
電路示意圖
Flyback實(shí)現(xiàn)升降壓:Flyback型電路分為隔離或非隔離式,以LM5001非隔離式應(yīng)用為例,推薦采用耦合式電感進(jìn)行設(shè)計(jì),固定輸出為24V,推薦輸入可在16~42V間調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)升降壓功能。
圖9 LM5001采用Flyback設(shè)計(jì)形式輸出
電路示意圖
開關(guān)電源因其高轉(zhuǎn)換效率、更低的熱消耗和更小的體積,已廣泛應(yīng)用于電子設(shè)計(jì)的各行各業(yè)。未來開關(guān)電源將繼續(xù)向著低噪聲、高集成化和高可靠性的方向發(fā)展。熟練應(yīng)用各種不同拓?fù)涞拈_關(guān)電源將會為我們的設(shè)計(jì)打下夯實(shí)的基礎(chǔ)。
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