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电源设计 - 方案确定

电源设计需考虑的需求

  • 功能:输入电压、电流(变动范围);输出电压、电流等,还要达到总体的功率指标,实现系统最大转换效率。
  • 性能:输出电压上的纹波大小、带负载的能力、效率、发热程度等。
  • 成本:系统综合成本,需要考虑核心器件与外围器件(电感或线圈、电容、MOS 管驱动等)。
  • 空间:需要考虑空间尺寸的限制、摆放位置、散热、干扰等。

如何选择一款电源方案

常见的电源类型

  • 线性稳压
    • 三端稳压器
    • 低压差线性稳压(LDO)
  • 开关稳压
    • 非隔离
      • 降压型(Buck)
      • 升压型(Boost)
      • 升降压型(Buck-Boost)
      • 双级反相升降压型(Ćuk)
      • 双级正相升降压型(SEPIC, ZETA)
    • 隔离
      • 正激
      • 反激
  • 电源 IC
    • 多路输出
    • 充电 IC

线性稳压与开关稳压的参数对比

线性稳压开关稳压
效率相对低(30% ~ 60%)相对高(70% ~ 90%)
稳压模式只能降压降压、升压、升降压、反压
发热量相对大相对小
体积相对大相对小
重量相对重相对轻
电路复杂度简单相对复杂
稳定度相对高一般
瞬态响应
噪声有(需噪声处理对策)
是否可隔离不可隔离可有隔离
应用场景小电流、需要低噪声、对效率要求不高大电流,对效率要求高

线性与开关稳压的直观区别

把输出电压类比为从水龙头的出水量,线性稳压是需要出多少水就把水龙头开多大;而对开关稳压来说,水龙头只能有开和关两个状态,所以必须快速开关,通过改变占空比来控制出水量。

线性稳压由工作在线性状态的三极管构成可变电阻对负载进行恒流控制,得到稳定的电压输出,这种方式结构简单、噪声抑制度很高(达到 60dB 也就是 1000 倍以上),但一般效率比较低,要满足输入电压高于输出电压一定的压差才能够稳压,只能做降压变换。线性稳压电路简单、纹波小,对输入端的毛刺抑制度(PSRR)高,但为了限制输出电压,而把多余的能量转化为热量。

开关稳压是利用感性元件和容性元件可以储存能量的特点,把能量分段打包传递。这些打包的能量或者储存在电感的磁场中,或者储存在电容的电场中。开关控制保证每个分段只传递负载需要的能量,所以效率相对高。开关稳压的好处是能够降压、升压、反压,输入电压的范围可以很宽,效率可以做到很高(有的能达到 95% 以上),缺点是外围电路比较复杂,外围元器件的选型比较敏感,另外高频的开关信号会在电压输出上带来较大的干扰、纹波。

根据输入和输出电压来选择

  • Vin>VoutV_{in}>V_{out}
    • 压差不大、负载电流小、要求低噪声 —— LDO
    • 压差大、负载电流大、噪声不是特别敏感 —— 开关 Buck
    • 负载电流小、噪声不敏感、要求效率高 —— 电荷泵
  • Vin<VoutV_{in}<V_{out}
    • 小功率 —— 电荷泵
    • 压差大、负载电流大、噪声不是特别敏感 —— 开关 Boost
  • VinV_{in} 变化范围大,可能大于或小于 VoutV_{out}
    • 小功率 —— 电荷泵
    • 负载电流大、噪声不是特别敏感 —— 开关 Buck-Boost
  • 如果需要隔离
    • 选择隔离拓扑结构如 flyback、forward、push-pull、全桥等。

元器件选型

选型需考虑的因素:

  • 功能:是否满足输入/输出电压及电流要求
  • 性能:尽可能低的纹波、噪声,尽可能高的转换效率
  • 价格:整体系统成本
  • 供货渠道:是否容易购买

可以使用电源芯片厂提供的工具辅助选型,例如 TI 参考设计

PCB 的布局布线

对 LDO 而言,发热是影响性能和稳定性的重要因素,故 layout 时需要考虑散热。
对 DC-DC 而言,需要考虑大电流的路径,避免产生较大纹波,避免反馈引脚受干扰,一般可以参考数据手册提供的布局,例如:

参考与致谢

文章作者:Power Lin
原文地址:https://wiki-power.com
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