常用DCDC电源电路方案设计

常用常用 DC DC 电源电路设计方案分析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 5V 15V 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 RW RL GND VinVout 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 AD DA 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 1 TL431 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 2 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 V o 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 1 mA 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 2 REF02 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 3 REF02 输出稳压电路 图 3 4 REF 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 5V 0 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 D1 D2 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 5 LM317 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 3V 5V 12V ADJ 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 2 5V 稳压电源电路 图 5 3 12V 稳压电压电路 图 5 3 1 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 T L431 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 1 V 时 输出端将关闭 当 3 脚上的电压高于 1 V 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