Skip to main content

电源的设计 - 开关稳压(非隔离型)

【编辑中】

功率相等原则

电感的伏秒平衡:处于稳定状态的电感,开关导通时间(电流上升段)的伏秒数,须与开关关断时间(电流下降段)的伏秒数在数值上相等。

  • TT:一个时间周期
  • DD:高电平占空比
  • VIV_I:输入电压
  • VOV_O:输出电压
(VIVO)×DT=VO×(1D)TVO=VI×D(V_I-V_O)\times DT=V_O\times (1-D)T V_O=V_I\times D

设计需考虑因素#

开关电源的设计至少要考虑以下条件:

  • 输入 / 输出电压:按照器件的推荐工作电压范围选用,考虑实际电压的波动范围,确保不超出器件规格。
  • 输出电流:输出电流要保留一定的余量,还需要评估电路的瞬间峰值电流和发热的情况,并满足降额要求。
  • 纹波:纹波是衡量电路的输出电压波动的重要参数,要关注轻载和重载纹波。通常选用示波器 20 M 带宽来测试。
  • 效率:要同时关注轻载和重载两种情况。轻载会影响待机功率,重载影响温升。通常看 12 V 输入,5 V 输出下 10 mA 的效率,一般需要达到 80% 以上。
  • 瞬态响应:瞬态响应特性反应负载剧烈变化时,系统是否能及时调整以保证输出电压的稳定。要求输出电压波动越小越好,一般按峰峰值 10 % 以下要求。
  • 开关频率:通常在 500 kHz 以上,关系到电感电容的选用,其它如 EMC,轻载下噪音等问题也与之有关。
  • 反馈参考电压及精度:反馈电压要与内部的参考电压相比较,配合外部的反馈分压电阻,输出不同电压。不同产品的参考电压会有不同,如 0.6-0.8 V,反馈电阻要选用 1% 精度。
  • 线性稳定度和负载稳定度:线性稳定度反映输入电压变化输出电压稳定性;负载稳定度反映输出负载变化输出电压稳定性。一般要求 1%,最大不要超 3%。
  • EN 电平:EN 高低电平要满足器件规格要求,有些 IC 不能超出特定电压范围。由于时序控制的需要,该引脚会增加电容,为了电平调节和关断放电,同时要有对地电阻。
  • 保护性能:要有过流保护 OCP,过热保护 OTP 等,并且保护后条件消失能自恢复。
  • 其它:项目要求有软启动;热阻和封装;使用温度范围要能覆盖高低温等。

选用原则:普遍性、高性价比、易采购、生命周期长、兼容和可替代、降额、易生产和归一化。

调制方式#

PFM(脉冲频率调制方式)#

开关脉冲宽度不变,通过改变脉冲输出频率,使输出电压达到稳定。适合长时间使用(尤其是小负载),具有耗电小的优点。

PWM(脉冲宽度调制方式)#

开关脉冲的频率不变,通过改变脉冲宽度,使输出电压达到稳定。效率高且具有较低的纹波和噪声。

拓扑结构#

Buck 降压型#

Buck 降压型也称 Step-down 电路,其典型电路拓扑结构如下:

Buck 电路的工作原理:

MOS 管导通

当功率 MOS 管导通时(可以等效为开关闭合),电源通过电感给负载供电,并将电能储存在电感和输出电容中。因为电感电流不能突变,所以在开关闭合时,电流增大得比较缓慢,即输出不能立刻达到电源的电压值。

此时电感正向伏秒为:V1×Ton=(VIVO)×TsV_1 \times T_{on}=(V_I-V_O)\times T_s

MOS 管截止

当功率 MOS 管截止时(相当于开关断开),因为电感的自感作用(可以形象理解为电感中的电流具有惯性作用),电路中的电流将保持不变(即从左到右继续流),电流走续流二极管提供的回路,为输出负载供电。

此时电感正向伏秒为:VO×Toff=VO×ToffV_O \times T_{off}=V_O \times T_off

开关断开期间,电感储存能量,并在截止期间释放能量,所以称储能电感;二极管负责给电感提供电流通路,所以称续流二极管。

通过控制 PWM 的占空比就可以控制输出的电压。

Boost 升压型#

Boost 升压型也称 Step-up 电路,其典型电路拓扑结构如下:

Buck 电路的工作原理:

  1. 当 PWM 信号提供高电平,使得 MOS 管导通时,电流走 MOS 回路,电感电流不能突变,呈线性上升
  2. 当 PWM 信号提供低电平,使得 MOS 管截止时,电流走二极管回路

MOS 管导通

当功率 MOS 管导通时(可以等效为开关闭合),输入电压流向电感,电感电流线性增加,电感储能增加,电源向电感转移电能。

MOS 管截止

当功率 MOS 管截止时(相当于开关断开),电感电压等于输入电压减去输出电容的电压,电感电流减少、储能减少,电感储能向负载转移电能。

Buck-Boost 升降压型#

功率电感底部是否可以铺地铜#

从 EMI 的角度,建议铺铜;从电感感量的角度,对于屏蔽型电感,电感感量基本没有影响,因此也建议铺铜;对于工字型电感,铺铜对电感感量有少许影响,可以视情况而定。

实验判断电感是否饱和#

除此之外,也可从异常温升、啸叫等情况来判断。

外围器件选择的要求#

  • 输入 / 输出电容:需要满足耐压(1.5-2 倍以上输入电压)和输入纹波的要求。
  • BST 电容:自举启动电容,用于抬高电压开启芯片内上管。一半按照数据手册的推荐值(一般 0.1-1uF),耐压一般要高于输入电压。
  • 电感:不同输出电压的要求感量不同;注意温升和饱和电流要满足余量要求,一般最大电流的 1.3 倍以上(或电感饱和电流必须大于最大输出电流+ 0.5*电感纹波电流)。
  • 反馈电容:按数据手册要求取值,不同厂家芯片取值不同,输出电压不同也会有不同的要求。
  • 反馈电阻和 EN 分压电阻:要求按规格书取值,精度需选取 1%。

PCB 设计要求#

  • 输入电容就近放在芯片的输入 Vin 和功率的 PGND,减少寄生电感的存在;电容地端增加过孔,减少阻抗。
  • 功率回路尽可能的短粗,保持较小的环路面积,较少噪声辐射。电感靠近 SW 引脚,远离反馈线。输出电容靠近电感,地端增加地过孔。
  • FB 电阻连接到 FB 管脚尽可能短,靠近 IC 放置,减少噪声的耦合;FB 下分压电阻通常接信号地 AGND;远离噪声源;FB 走线包地。
  • BST 的电容走线尽量短,不要太细。
  • 芯片散热要按设计要求,尽量在底下增加过孔散热。

参考与致谢#

文章作者:Power Lin
原文地址:https://wiki-power.com
版权声明:文章采用 CC BY-NC-SA 4.0 协议,转载请注明出处。