常用DCDC电源电路方案设计

常用DC/DC电源电路设计方案分析1、DC/DC电源电路简介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5V15V，数字电路常用3.3V等。结合到本公司产品，这里主要总结24V以下的DC/DC电源电路常用的设计方案。2、DC/DC转换电路分类DC/DC转换电路主要分为以下三大类：（1）稳压管稳压电路。（2）线性(模拟）稳压电路。（3）开关型稳压电路3、稳压管稳压电路设计方案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，RWRLGNDVinVout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。有些芯片对供电电压要求比较高，例如ADDA芯片的基准电压等，这时候可以采用常用的一些电压基准芯片如MC1403,REF02,TL431等。这里主要介绍TL431、REF02的应用方案。3.1TL431常用电路设计方案TL431是一个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。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，参考电压源误差1%,输出电流为1.0-100mA。最常用的电路应用如下图3-1所示，TL431的内部含有一个2.5V的基准电压，所以当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。如图3-1所示的电路，当R1和R2的阻值确定时，两者对Vo的分压引入反馈，若Vo增大，反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致Vo下降。显然，这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定，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。图3-1并联稳压器电路图图3-2大电流并联稳压器电路图TL431最大输出电流为100mA,在需要更大的电流时可以在图3-1基础上加一个三极管进行扩流，如图3-2所示。使用上述设计方案时，需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于1mA；电阻R1、R2必须选择低温漂高精度的精密电阻，这样才能保证输出电压的精度。将R1换为电位器时，通过调节R1的大小，可以实现输出电压连续可调，调节范围为2.5V-36V。3.2REF02常用电路设计方案REF02是高精度的基准电压芯片。输入电压为+8V到+40V，输出电压为+5V，输出电压误差达到正负0.2%。常用的电路方案如下图3-3所示。在很多时候不仅需要正基准电压，还会用到负基准电压，因此在图3-3的基础上设计出能够同时出正负基准的一个电路，如图3-4所示。主要是将REF02输出的+5V基准通过反相比例放大电路输出一个-5V的基准电压。为了保证-5V基准电压的准确性，两个10K电阻需用高精度低温漂的精密电阻。图3-3REF02输出稳压电路图3-4REF输出正负基准电压电路图3-3、3-4的电路方案除了REF02之外，很多电压基准芯片都可以用到，使用时可根据需要选择合适的基准电压芯片。4、线性（模拟）稳压电路常用设计方案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，一种输出电压是固定的，称为固定输出三端稳压器，另一种输出电压是可调的，称为可调输出三端稳压器，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。4.1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5V0.1A。典型应用电路如下：图4-1典型应用电路图4-2提高输出电压的电路图4-3双电源电路在使用上述方案时需要注意，输入电压与输出电压至少应由3V的压差，使稳压器中的调整管工作在放大区。同时输入输出压差过大，会增加稳压器的功耗。具体参数按照数据手册。在三端稳压器的输入输出端接一个二极管，用来防止输入端短路时,输出端存储的电荷通过稳压器,而损坏器件。除上述典型应用方案外，固定输出三端稳压器与集成运放可以设计出输出可调的稳压电路，电路方案如图4-4所示：图4-4输出可调的稳压电路图中集成运放作为电压跟随器，运放供电借助三端稳压器输入电压。当电位器滑动至最上端时，输出电压为最大值。当电位器滑动至最下端时，输出电压为最小值。4.2可调输出三端稳压器可调输出三端稳压器常用的是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。其典型应用方案如图4-5所示：D1D2二极管保护LM317为保护二极管。R2两端并联的C2可以大幅提高抵抗谐波的能力。上面所述的几种DCDC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。图4-5LM317可调稳压电路5、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。5.1非隔离式DCDC转换电路设计方案非隔离式的开关电源电路主要分类如下图所示：图5-1非隔离式开关电源电路分类5.1.1基于LM2575实现非隔离式DCDC变换的方案LM2575是美国国家半导体公司生产的1A集成稳压电路，内部集成了一个稳压电路，只需极少的外围器件便可构成高效的稳压电路，可大大减小散热器面积，大部分情况下不需使用散热片。LM25755主要指标如下：最大输出电流1A，最大输入电压45V（60V），输出电压：3.3V5V12VADJ（可调），稳压误差4%，转换效率75%-88%，震荡频率54KHZ，工作温度-55-+150。常用的设计方案如下图5-1、5-2、5-3所示：图5-25V稳压电源电路图5-3-12V稳压电压电路图5-31.2-55V可调稳压电源电路再用上述方案时需要注意几点：（1)在图5-3中，输出电压计算公式为：(2)电感的选择可以按照下面公式进行选择：在选择电感时，可在电感器尺寸大小与系统性能之间做一个折中，可靠近这个数值选择一个合适的电感。(3)输出电容选择地ESR的电容降低输出纹波电压，可使用固态胆电容或多层陶瓷电容。可以按照下面公式进行选择：(4)二极管选择二极管额定电流应大于LM2575的最大电流限制，反向电压应大于最大输入电压的1.2倍。5.2隔离式DCDC转换电路设计方案常用的隔离DC/DC转换主要分为三大类：图5-4常见隔离式开关电源分类这里主要介绍一种常用的单端反激式DC/DC变换电路，控制芯片采用常用的UC3842或UC3843。UC3842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。其主要应用原理如下：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。电路电流环控制采用UC3842内部电流环，电压外环采用TL431和光耦PC817构成的外部误差放大器，误差电压直接送到UC3842的1脚。误差电压与电流比较器的同相输入端3脚经采样电阻采集到初级侧电流进行比较，从而调节输出端脉冲宽度。2脚接地。R4,C5是UC3842的定时元件，决定UC3842的工作频率，.当UC3842的1脚电压低于1V时，输出端将关闭；当3脚上的电压高于1V时，电流限幅电路将开始工作，UC3842的输出脉冲中断。开关管上波形出现打嗝现象，从而可以实现过压、欠压、限流等保护功能。此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。6、总结本文主要介绍了稳压管稳压、线性（模拟）稳压、开关型稳压三种电路模式的几种常用的设计方案。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；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；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。李鹏伟2012-04-11