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DC-DC電源降壓電路設(shè)計(jì)及其功率電感的選型介紹

發(fā)布時(shí)間:2019-01-31 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】在電子設(shè)備中,DC-DC電源是基本功能單元,有降壓電路、升壓電路、或升降壓電路等。一般以降壓電路、升壓電路使用最多。因功率電感在電源設(shè)計(jì)中屬于非常重要的器件,所以這里一起介紹。
 
有的是分立電源(即一個(gè)電路一個(gè)輸出電壓),有的則是集成電源,例如PMU,存在多個(gè)電源輸出,滿足不同的需求。分立與集成各有優(yōu)點(diǎn)。
 
分立電源電路的優(yōu)點(diǎn):?jiǎn)误w價(jià)格便宜,電路設(shè)計(jì)復(fù)雜,輸出容易調(diào)整,可輸出大負(fù)載能力,散熱好。缺點(diǎn):占PCB的面積較大,電源系統(tǒng)總成本可能會(huì)高于集成電源電路(具體問(wèn)題具體分析),EMI較差。
 
集成電源電路的優(yōu)點(diǎn):輸出電源種類多,電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,器件數(shù)量少,所占PCB面積小,節(jié)省空間,EMI較好。缺點(diǎn):因集成度高,輸出的功率較小,體積小不容易散熱,嚴(yán)重情況會(huì)出現(xiàn)燒壞,單體價(jià)格較貴。
 
因功率電感在電源設(shè)計(jì)中屬于非常重要的器件,所以這里一起介紹。
 
降壓電路設(shè)計(jì)
 
一般在設(shè)計(jì)之初工程師提出具體的設(shè)計(jì)參數(shù),例如:DC-DC工作頻率、輸入電壓范圍、輸出電壓范圍、輸出最大電流、輸出紋波、效率、封裝等。
 
大部分電子設(shè)備中存在的電壓為5V、3.3V,CPU小系統(tǒng)可能還存在1.8V、1.2V、或其他電源,在移動(dòng)通訊中,常用的電源為3.8V。因原理一樣,這里只舉例5V和3.3V電源設(shè)計(jì)。
 
例一:9V轉(zhuǎn)5V電路設(shè)計(jì)
 
1) 下圖為Silergy的SY8120型號(hào)。具體自查規(guī)格書(shū)。
 
 
簡(jiǎn)單介紹下規(guī)格參數(shù):該芯片工作頻率為500KHz,輸入電壓范圍4.5V~18V,輸出電流為2A,高效率,SOT23-6小封裝。
 
下表紅色部分為主要關(guān)注參數(shù)。
 
Iq 靜態(tài)電流,當(dāng)輸出空載時(shí)芯片自耗電,主要考慮領(lǐng)域?yàn)榇龣C(jī)功耗。
 
Vref為反饋參考電壓,在芯片內(nèi)部存在一個(gè)比較器,用于輸出調(diào)節(jié),是芯片的主要參數(shù)之一,通過(guò)反饋電阻網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)輸出電壓。
 
IFB是決定了反饋電阻網(wǎng)絡(luò)的取值范圍,如果此電流設(shè)計(jì)過(guò)大,會(huì)造成待機(jī)功耗增大,如果設(shè)計(jì)過(guò)小,反饋失效,導(dǎo)致輸出不正常。
 
上下MOSFET的RDS(on),越小約好,會(huì)影響到輸出效率,靜態(tài)功耗。
 
ILIM是上下MOS的極限電流值,很多廠家,這個(gè)參數(shù)只有典型值或最小值,沒(méi)有最大值,其實(shí)是為了自己規(guī)避問(wèn)題,在設(shè)計(jì)中,按照典型值或最小值進(jìn)行設(shè)計(jì),基本能滿足設(shè)計(jì)要求,但如果在輸出負(fù)載超過(guò)這個(gè)值后,電源IC就會(huì)燒毀,上MOS幾率最大。因此如果規(guī)格中設(shè)置了最大值,說(shuō)明這個(gè)IC存在過(guò)流保護(hù),在設(shè)計(jì)中是個(gè)很好的選擇。
 
VEN,是芯片開(kāi)關(guān)功能,一般內(nèi)部為一個(gè)施密特觸發(fā)器,高于一個(gè)電壓才能打開(kāi),小于一個(gè)電壓才能關(guān)閉。在設(shè)計(jì)中,可能會(huì)出現(xiàn)無(wú)法關(guān)機(jī)的現(xiàn)象,因?yàn)橄到y(tǒng)中存在較多的電容,在關(guān)機(jī)過(guò)程中,電源下電時(shí)間等因素,導(dǎo)致這個(gè)問(wèn)題的存在。所以重點(diǎn)關(guān)注下電時(shí)間點(diǎn)電壓。
 
FSW,為芯片的主要開(kāi)關(guān)頻率,是電源設(shè)計(jì)中的非常重要的參數(shù),影響了后面的輸出電流設(shè)計(jì),電感的選型和輸出電容的選擇。
 
 
2) 電源設(shè)計(jì)電路
 
 
設(shè)計(jì)電路中,設(shè)計(jì)基本參數(shù)為:VIN大概為9V,輸出電壓為5V,輸出電流1Amax,紋波小于50mV。
 
圖中分為6個(gè)部分,按照序號(hào),分別為:輸入電容,自舉電容,電感,反饋電阻,輸出電容,緩啟動(dòng)。
 
框1:一般輸入電容為規(guī)格書(shū)建議值,一般為uF級(jí),用于續(xù)流,防止在負(fù)載突然增大時(shí),影響前面的電源,使前面的電源出現(xiàn)波動(dòng),如果存在高頻濾波電容,需放置在IC附近。
 
框4:設(shè)計(jì)輸出電壓,要得到約5V的輸出電壓,因考慮電路中的線損,輸出略高于5V。根據(jù)下面的公式,計(jì)算得到輸出電壓5.289V。
 
Vout=0.6*(R43/R44)
 
框3:根據(jù)規(guī)格書(shū)中給出的公式計(jì)算。電路輸入電壓范圍為7~12V(典型值9V),輸出電壓約為5.289V,輸出電流最大約為1A,當(dāng)輸入電壓為7V時(shí),通過(guò)計(jì)算得到電感約為6.5uH,當(dāng)輸入為12V時(shí),計(jì)算得電感約為14.8uH,選擇常用的10uH電感。輸入電壓為9V時(shí),根據(jù)公式,輸出的最大電流約為1.09A,基本能滿足要求。電感的額定電流要約為輸出電流的1.5倍,那么選用額定電流1.68A的電感,能夠滿足要求。
 
 
框2:有的電路外部自舉電路,而有的則在內(nèi)部。一般為0.1uf,使上MOS持續(xù)導(dǎo)通。
 
框5:輸出電容根據(jù)規(guī)格書(shū)要求最小為22uF,選用低ESR的MLCC電容兩個(gè)10uF,如果規(guī)格書(shū)沒(méi)有提出,需要根據(jù)下面計(jì)算公式得出。
 
紋波電流的計(jì)算公式:
 
 
輸出的電容為20.1uF,因MLCC的ESR很小,可忽略,根據(jù)下面的公式得到紋波電壓約為10mV,滿足要求。
 
框6:阻容器件并聯(lián),起到延時(shí)緩啟動(dòng)的作用,同時(shí)在關(guān)電時(shí),對(duì)地電阻起到迅速放電的作用。
 
放置R43上并聯(lián)C60,有助于增加負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)速度和輸出穩(wěn)定性,一般為10pf~22pf
 
在實(shí)際的工作中,一切可以調(diào)整的因素都是相對(duì)穩(wěn)定的,并且?guī)в幸欢ǖ膶?shí)際工作誤差。因此在考慮開(kāi)關(guān)頻率、L和C的取值時(shí),要考慮干擾因素,選取受到很多因素影響的一個(gè)折中的結(jié)果。
 
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