R課堂 | 用開關穩(wěn)壓器設計您自己的DC-DC轉換器

通過使用開關穩(wěn)壓器，可以顯著抑制電路的發(fā)熱量，不僅更節(jié)能，還可以減小散熱器尺寸，從而能夠減小電路規(guī)模并設計出低發(fā)熱的電源電路。

目錄

1. 用開關穩(wěn)壓器制作DC-DC轉換器

2. 比預期更易用的開關穩(wěn)壓器IC

3. 開關穩(wěn)壓器的優(yōu)點

4. 創(chuàng)建DC-DC轉換器電路

5. 三端穩(wěn)壓器和開關IC的區(qū)分使用

6. 總結

用開關穩(wěn)壓器制作DC-DC轉換器

開關穩(wěn)壓器IC是一種從一定的直流電壓中獲得所需電壓值的電源IC，用于控制開關式的DC-DC轉換器。

還有一種方法是通過使用了齊納二極管或三端穩(wěn)壓器等器件的電路從高電壓產(chǎn)生所需電壓（降壓），但如果需要幾安培的大電流，就需要通過開關穩(wěn)壓器來降壓了。

比預期更易用的開關穩(wěn)壓器IC

這次使用的開關穩(wěn)壓器IC ROHM BD9E301。表面貼裝型SOP8封裝，但也可通過轉換板在萬用板上使用。

開關穩(wěn)壓器的優(yōu)點

在電源電路中使用開關穩(wěn)壓器的好處是“效率高”。使用開關穩(wěn)壓器時需要一些外置器件才能使用。與三端穩(wěn)壓器不同，它僅憑IC和電容器是無法工作的，這部分因素可能會給人一種難以下手的印象。

知道開關式穩(wěn)壓器工作原理的人，可能會因為“必須附上振蕩器和線圈之類的器件才能用，對吧？”這種先入為主的偏見而不太喜歡開關穩(wěn)壓器。其實，由于最近的開關IC中內(nèi)置了大部分功能，因此所需的外置元器件很少，電路設計已經(jīng)越來越容易了，不需要花費太多的時間和精力。

雖然用來降低電壓的降壓電路方式有很多種，但使用開關穩(wěn)壓器的方式可以實現(xiàn)高達80%～95%的轉換效率。其他還有使用三端穩(wěn)壓器的方式，但效率通常只有50%以下，功耗浪費嚴重，而且發(fā)熱量非常大。需要將較大負載連接到降壓電路時，可以通過使用開關穩(wěn)壓器來創(chuàng)建發(fā)熱量少的節(jié)能型電路。

參考鏈接：開關穩(wěn)壓器｜電子小百科

創(chuàng)建DC-DC轉換器電路

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現(xiàn)在，我們要使用開關穩(wěn)壓器IC制作DC-DC轉換器了。

這次，我們將使用一款從12V電源的輸入可以輸出5V/2A的DC-DC轉換器。這個輸出規(guī)格的話，可以驅動USB設備，因此，還可以讓您的自制設備具備USB充電器功能。

開關穩(wěn)壓器IC使用ROHM的BD9E301。該IC內(nèi)置有FET，支持最大2.5A的輸出，輸入電壓范圍寬（7～36V），具有可通過外置電阻自由調(diào)整輸出電壓的功能。

BD9E301的技術規(guī)格書。開關穩(wěn)壓器的技術規(guī)格書中提供了電路設計示例，可以參考示例創(chuàng)建電路。

出處：7.0V～36V 輸入、2.5A 內(nèi)置MOSFET 1ch 同步整流降壓DC-DC轉換器 – BD9E301EFJ-LB(E2) | ROHM Co., Ltd.

在開關穩(wěn)壓器的技術規(guī)格書中，除了基本規(guī)格外，還提供了電路設計示例和圖案布局示例等內(nèi)容，因此我們將參考技術規(guī)格書進行電路設計。

將開關穩(wěn)壓器IC裝在轉換板上之后安裝在萬用板上的樣子。

由于BD9E301是表面貼裝型IC，所以需要通過轉換板安裝在萬用板上。使用轉換板的話，可能會因散熱量不足而導致故障，所以在使用轉換板時要注意電流量和發(fā)熱量。

我們根據(jù)技術規(guī)格書中的應用電路，將電子器件焊接到電路板上。由于輸出電壓由R1和R2的分壓電阻之比決定，因此我們將R1設置為12kΩ，將R2設置為3kΩ，其他部件使用與技術規(guī)格書中相同的元器件。

由于開關電源是在高頻下反復ON/OFF的電路，因此應盡可能將元器件安裝在靠近IC的位置，以免布線距離變長。從某種意義上講，開關穩(wěn)壓器的布局是需要格外用心的項目之一。由于技術規(guī)格書上也提供了基本的布局說明，所以我們將參考其中的元器件布置方案來創(chuàng)建電路。

完成的DC-DC轉換器的背面。在表面上安裝了DIP器件，在焊接面上安裝了線圈。要實際安裝的元器件很少，只需要電阻器、幾個電容器和1個線圈即可使用開關穩(wěn)壓器制作DC-DC轉換器。

當將12V電壓施加到完成的電路時，輸出了5V電壓。由于輸出電壓是通過反饋來維持穩(wěn)定的，因此即使外部電壓波動，也能始終輸出5V。這個開關穩(wěn)壓器IC可輸出高達（電源電壓 x 0.7V）的電壓，因此理論上即使電壓降至7.2V也能工作。

我們已經(jīng)創(chuàng)建了一個5V/2A的電源電路，現(xiàn)在，讓我們將USB引腳連接到輸出部分，以便為USB設備供電。

如果您將USB引腳連接到自制的5V DC-DC轉換器，也可以為USB設備充電。照片中正在為iPad充電。發(fā)熱量出乎意料地小，可以穩(wěn)定充電。

按照這種方式，即使用開關IC，也能輕松制作出5V輸出的電源電路。在制作電路時，作為附加功能增加USB充電功能可能會很有趣。

要想將開關電源做成產(chǎn)品推出，還會涉及到很多問題，比如PCB布局和是否符合EMI（電磁干擾）相關法規(guī)。在這里希望大家了解的是，使用開關穩(wěn)壓器IC可以輕松完成電路設計這部分。

創(chuàng)建DC-DC轉換器電路

前面也提到過，最近的開關IC由于外置元器件少，電路設計材料也豐富，因此使用它們可以輕松地創(chuàng)建開關方式的降壓電路。

在實際的電源電路設計中，您是否為不知道該用開關穩(wěn)壓器好還是用三端穩(wěn)壓器好而煩惱過呢？

開關穩(wěn)壓器的魅力在于其效率高，但在某些電路應用中，這項優(yōu)勢可能無法充分發(fā)揮出來。例如，在僅使用微控制器和幾個LED的、電流僅幾十mA的電路中，即使提高效率，也沒有太大的實用價值。

此外，開關式電源的效率會隨著負載電流的減小而降低，相反地，三端穩(wěn)壓器的效率則較好，此時開關穩(wěn)壓器所需元器件數(shù)量多、噪聲紋波大等缺點就顯得比較突出了。在這種情況下，從整體成本上看，使用三端穩(wěn)壓器更具優(yōu)勢。

總體而言，不要簡單地認為“開關穩(wěn)壓器效率高所以更好！”而選擇它，而是要從功耗和電路尺寸等各方面因素綜合考慮來選擇合適的方式，這一點很重要。

	線性穩(wěn)壓器	開關穩(wěn)壓器
降壓	可	可
升壓	不可	可
升降壓	不可	可
反相	不可	可
效率	通常VO/VIN 較低	～95%左右 通常較高
輸出功率	通常為幾W 取決于散熱設計	支持大功率
噪聲	小	有開關噪聲
設計	簡單	復雜
元器件數(shù)量	少	多
成本	○	△

開關穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器的區(qū)別。兩種穩(wěn)壓器各有利弊，所以要物善其用，根據(jù)具體情況區(qū)分選用。三端穩(wěn)壓器屬于線性穩(wěn)壓器。

出處：優(yōu)點和缺點、與線性穩(wěn)壓器的比較｜R課堂

總結

當聽到“開關穩(wěn)壓器”這個詞時，首先讓人想到的可能是“難以操作”，但實際用它試試看時，您會發(fā)現(xiàn)其實并不像想象中的那么麻煩，稍加努力就可以創(chuàng)建出高效的電源電路。

如果您能夠玩轉開關穩(wěn)壓器，除了降壓之外，還可以自由自在地操作電路的電壓（比如升壓、反相、升降壓等），這會讓您的電路設計范圍更寬更廣。

開關電源設計中的真正難點在于決定元器件配置的圖案布局，以及符合各國法規(guī)的EMI對策。其實如果只是試制級別的話，很容易就可以做出來。因此，在電子作品制作中，開關穩(wěn)壓器不失為一個不錯的選擇。

這次我們使用的是表面貼裝型開關穩(wěn)壓器IC，其實還有可直接用于萬用板的DIP型IC和內(nèi)置有線圈的開關穩(wěn)壓器等產(chǎn)品，因此，開關IC在電子制作中已經(jīng)變得越來越方便使用了。此外，在最新的產(chǎn)品中，還包括輸出電流高達7A～8A且內(nèi)置FET的產(chǎn)品類型。

對于正在用三端穩(wěn)壓器和大型散熱器制作電源電路的人，或者正在通過連接DC-DC轉換器模塊制作小物件的人而言，挑戰(zhàn)使用開關穩(wěn)壓器IC進行電路設計，不失為一個不錯的嘗試。

END

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