11招轻松搞定DC-DC电源转换电路设计

搞嵌入式的工程师们往往把单片机、arm、dsp、fpga搞的得心应手，而一旦进行系统设计，到了给电源系统供电，虽然也能让其精心设计的程序运行起来，但对于新手来说，有时可能效率低下，往往还有供电电流不足或过大引起这样那样的问题，本文11个金律轻松搞定dcdc电源转换电路设计。
01搞懂dc-dc电源怎么回事
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，现在的fpga、dsp还用2v以下的电压，诸如1.8v、1.5v、1.2v等。在通信系统中也称二次电源，它是由一次电源或直流电池组提供一个直流输入电压，经dc-dc变换以后在输出端获一个或几个直流电压。
02需要知道的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
03最简单的稳压管电路设计方案
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：
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。
04基准电压源芯片稳压电路
稳压电路的另一种形式，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，这时常用的一些电压基准芯片如tl431、 mc1403 ，ref02等。 tl431是最常用基准源芯片，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。最常用的电路应用如下图示，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。
其他的几个基准电压源芯片电路类似。
05串联型稳压电源的电路认识
串联型稳压电路属直流稳压电源中的一种，其实是在三端稳压器出现之前比较常用的直流供电方法，在三端稳压器出现之前，串联稳压器通常有op放大器和稳压二极管构成误差检测电路，如下图，该电路中，op放大器的反向输入端子与输出电压的检测信号相连。
正向输入端子与基准电压vref相连，vs=vout*r2/(r1+r2).由于放大信号δvs为负值，控制晶体管的基级电压下降，因此输出电压减小在正常情况下，必有vref=vs=vout*r2/(r1+r2)，调整r1，r2之比可设定所需要的输出电压值。
图中所示只是这也是三端稳压器的基本原理，其实负载大小可以可以把三极管换成达林顿管等等，这种串联型稳压电路做组成的直流稳压电源处理不当，极易产生振荡。现在没有一定模拟功底的工程师，一般现在不用这种方法，而是直接采用集成的三端稳压电路，进行dc-dc转换电路的使用。
06线性(模拟)集成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，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。
另一种输出电压是可调的线性稳压电路，称为可调输出三端稳压器，这类芯片代表是是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。
07dcdc转换开关型稳压电路设计方案
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。
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。
dcdc转换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。当然开关电源基本的拓扑包括降压型、升压型、升降压型及反激、正激、桥式变化等等。
08非隔离式dcdc开关转换集成电路芯片电路设计方案
dcdc开关转换集成电路芯片，这类芯片的使用方法与第六条中的lm317非常相似，这里用l4960举例说明，一般是先使用50hz电源变压器进行ac-ac变换，将～220v降至开关电源集成转换芯片输入电压范围比如1.2～34v，由l4960进行dc-dc变换，这时输出电压的变化范围下可调至5v，上调至40v，最大输出电流可达2.5a( 还可以接大功率开关管进行扩流)，并且内设完善的保护功能，如过流保护、过热保护等。
尽管l4960的使用方法与lm317差不多，但开关电源的l4960与线性电源的lm317相比，效率不可同曰而语，l4960最大可输出100w的功率(pmax=40v*2.5a=100w)，但本身最多只消耗7w，所以散热器很小，制作容易。
与l4960类似的还有l296，其基本参数与l4960相同，只是最大输出电流可高达4a，且具有更多的保护功能，封装形式也不一样。这样的芯片比较多，比如，lm2576系列，tps54350，ltc3770等等。一般在使用这些芯片时，厂家都会详细的使用说明和典型电路供参考。
09隔离的dcdc开关电源模块电路设计方案
常用的隔离dc-dc转换主要分为三大类：
1.反激式变换； 2.正激式变换； 3.桥式变换
常用的单端反激式dc-dc变换电路，这类隔离的控制芯片型号也不少。控制芯片典型代表是常用的uc3842系列。这种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。其主要应用原理是：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。
这类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。
010dcdc开关集成电源模块方案　
很多微处理器和数字信号处理器(dsp)都需要内核电源和一个输入/输出(i/o)电源，这些电源在启动时必须排序。设计师们必须考虑在加电和断电操作时内核和i/o电压源的相对电压和时序，以符合制造商规定的性能规格。
如果没有正确的电源排序，就可能出现闭锁或过高的电流消耗，这可能导致微处理器i/o端口或存储器、可编程逻辑器件(pld)、现场可编程门阵列(fpga)或数据转换器等支持器件的i/o端口损坏。为了确保内核电压正确偏置之前不驱动i/o负载，内核电源和i/o电源跟踪是必需的。
现在有专门的电源模块公司量身定做一些专用的开关电源模块，主要是那些对除去常规电性能指标以外，对其体积小，功率密度高，转换效率高，发热少，平均无故障工作时间长，可靠性好，更低成本更高性能的dc-dc电源模块。
这些模块结合了实现即插即用(plug-and-play)解决方案所需的大部分或全部组件，可以取代多达40个不同的组件。这样就简化了集成并加速了设计，同时可减少电源管理部分的占板空间。
最传统和最常见的非隔离式dc-dc电源模块仍是单列直插(sip)封装。这些开放框架的解决方案的确在减少设计复杂性方面取得了进展。然而，最简单的是在印刷电路板上使用标准封装的组件。
011dcdc电源转换方案的选择注意事项
本条金律也是本文的总结，很重要。本文这里主要大致介绍了dcdc电源转换的稳压管稳压、线性(模拟)稳压、dcdc开关型稳压三种电路模式的几种常用的设计方法方案。
①需要注意的是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；
②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；
③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。