開關(guān)電源設(shè)計(jì)實(shí)例分享

　　目前開關(guān)電源的設(shè)計(jì)有兩種途徑：從層開始設(shè)計(jì)和從數(shù)據(jù)手冊(cè)上拷貝電 路的方法。目前市場上有很多很好的控制集成芯片，而且這些芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)上 都有事先準(zhǔn)備好的設(shè)計(jì)步驟。本書的目的是讓讀者對(duì)開關(guān)電源設(shè)計(jì)有更進(jìn)一步深 入、扎實(shí)的理解。下面的設(shè)計(jì)例子包含了開關(guān)電源所需的控制ic的使用方法。 這些設(shè)計(jì)例子所包含的開關(guān)電源基本原理勝過了一些控制ic資料提供的電源設(shè) 計(jì)簡易方法。這些基本原理在磁性元件、反饋補(bǔ)償器、輸入輸出濾波器的設(shè)計(jì)方 面也很有效。

　　下面的例子雖然乏味，但對(duì)理解PWM開關(guān)電源的設(shè)計(jì)過程有很大的指導(dǎo)作用。

　　3.15.1板載的10W降壓Buck變換器 應(yīng)用場合

　　在一些線性電源產(chǎn)生的熱量對(duì)電路來說無法忍受的場合，開關(guān)電源就可以作 為板載電源使用。前置粗調(diào)節(jié)器的輸出在+ 10～+18V之間變化，板載電源的輸 出電壓為+ 3.3V。

　　在這個(gè)設(shè)計(jì)例子中，特意不用高度集成的Buck控制1C，這是為了更好地演 示開關(guān)電源器件的選擇和設(shè)計(jì)過程，見圖3-64。

　　圖3-64例3.15.1的幅頻和相頻博德圖 a） Buck變換器幅頻特性b） Buck變換器相頻特性技術(shù)指標(biāo)

　　輸入電壓范圍：DC+10-+14V 輸出電壓：DC + 5V輸出電流：2A

　　輸山電壓紋波峰峰值：+30mV 輸出精度：±1%

　　“黑箱”預(yù)先估計(jì)

　　輸山功率：+5.0Vx2A=10.0W （.max）

　　輸入功率：匕。，/）^ = 10.0W/0.80= 12.5W 功率開關(guān)損耗：〔12.5W-10W） x 0.4=1.0W 續(xù)流。：極管損耗：（12.5W-10W） x0.6=1.5W 輸入平均電流低電 E 輸入時(shí)：12.5W/10V=1.25A 卨電 1+：輸入時(shí)：12.5W/14V = 0.9A估計(jì)峰值電流：1.4/utlratn1， = 1.4 x 2.0A = 2.8A 要求的下作頻率：100kHz 電感設(shè)計(jì)（參考3.5.5節(jié)）M差工作條件是發(fā)生在卨輸入電樂的情況。

　　j _- Kmt）（丄-Km Z I—》 ）

　　_1 A J 。 f

　　〇ul （min） J svv

　　_ （14V - 5 V） （1 - 5V/14V）

　　二 ^1.4x0.5Ax 100kHz

　　式中丨、輸入電壓值；

　　Vou［—輸出電壓；

　　人— 負(fù)載電流；

　　九？下作頻宇-。

　　電感采w在j型引線塑料安裝板卜。安裝的表面安裝環(huán)形電感。從很多r商那 m都吋以得到標(biāo)準(zhǔn)表面安裝的電感，在這見選用Coilcmft公司的器件，型號(hào)為 D03340P-104。

　　選擇功率開關(guān)和續(xù)流二極管

　　功率開關(guān)：功率丌關(guān)選用P溝道的功率MOSFET。輸入電壓是DC18V， H而Fl）ss額定值耍大干30V。峰值電流為2.8A，N時(shí)為了使損耗小flW，所以 口J‘以估算i？DS）。、V：小于：

　　^ I）S （on - max） ~ ^ l） （est） ^ ^pk （est》

　　二 1W/ （2.8A）2《0.127n （M大）

　　這里選用的是常用的S08封裝、導(dǎo)通電阻為0.045n的FDS9435型P溝道 MOSFETo續(xù)流二極管：為了減小導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，續(xù)流二極管要選用肖特某二極 管，這種二極管在3A峰值電流時(shí)，它的5通電壓是可以接受的。MBRD330在流 過3A電流時(shí)的壓降為0.45V （+ 25°C）。

　　輸出電容（參考3.6節(jié)）

　　輸出電容值由下式?jīng)Q定：

　　P _ 人xit （max》 Cl ？DC （lx6lx））

　　【y out （min） _/？y

　　J sw f ripple （p - p）

　　= 2Ax a-5V/14V）

　　_ 100kHz x 30mV！

　　對(duì)輸出和輸入濾波電容主耍關(guān)心的是流過這些電容的紋波電流。在這種情況 卜，紋波電流5電感上電流的交流分是相NJ的。電感電流的值是2.8A， 紋波電流的峰峰值約為1.8A，紋波電流的有效值約為0.6A （人約為峰峰值的1/ 3）。

　　這里選用的是表lii安裝的鉭電容，這種電容的ESR只有電解電容的50%。 在周圍環(huán)境溫度為+ 85°C時(shí)，建議將電容的容量降額30%。

　　奵是選用AVX公司斗：產(chǎn)的電容，AVX公司的電容的ESR很小，這樣就允 許流過比較人的紋波電流。這些電容比較特殊，并不常W。下面的任何一種電容 都吋以滿足輸出要求。

　　AVX公司：

　　TPSE477M010R0050 470^F （20%），10V，50mn，1.625A （有效值）TPSE477M010R0100 470“_F （20%），10V，lOOma 1.149A （有效值）Nichicon：

　　F751A477MD470fJ （20%）， 10V， 120mn，0.92A （侖效值）同時(shí)滿足這種容量、額定電壓和ESR小的表ifU安裝電容很少。比較可行的 辦法足把容量不小于設(shè)計(jì)值一半的兩個(gè)電容并聯(lián)起來，這樣可選擇的電容較多， ESR也比較小。在這種情況K，可以選用兩個(gè)330;iF、10V的鉭電容并聯(lián)。卜’而 列！丨丨的就足可選HJ的電容：

　　KEMET公司：

　　T510X337M010AS 330ftF （20%.），10V，35mf}，2.0A （有效值）Nichicon 公司：

　　F751A337MD330，（20%），10V，150mn， 0.8A （有效值。）輸入濾波電容

　　輸入濾波電容的電流與功率開關(guān)的電流波形…樣，這A電流波形是梯形的， 它從1A的初始值以很陡的斜率上升到2.8A。輸入濾波電容的工作條件比輸出濾 波電容要惡劣得多。佔(zhàn)計(jì)梯形電流的有效值時(shí)，可以把電流波形看成是由一個(gè)峰 值為1A的矩形波和峰值為1.8A的三角波疊加組成。這樣估計(jì)得到的電流有效 值人約足1.1A，電容值可以從下式算出：

　　CPm -12-5W

　　m~~100kHzxl.0V2

　　=125，_tF

　　電容的額定電壓越高，它的容m就越小，這樣可以用兩個(gè)68，uF的電容并聯(lián)。 可選W的電容如下：

　　AVX：（。每個(gè)電源需要2個(gè)）

　　TPS686M016R0150 68，uF （20%），16V，150mn，0.894A〔有效值_）AVX：（每個(gè)電源需要3個(gè)）

　　TAJ476M016 47/1 （20%），16V，900m^，0.270 （等效值）Nichicon：海個(gè)電源需要3個(gè)）

　　F721C476MR 47/xF （20%），16V，750ma 0.19D （等效值）選擇控制器1C

　　Buck控制器1C所要考慮的性能如下：

　　1.吋以且接從輸入電佧供電工作。

　　2.逐周過電流限制。

　　3.圖騰柱M0SFET驅(qū)動(dòng)能力。

　　市場上有許多Buck控制芯片，在這里選用的是UC3873。這款芯片的內(nèi)部電 壓誤差放人器的參考電壓為1.5 （1±2%） V。

　　設(shè)置工作頻率（C1，）

　　參考數(shù)據(jù)手冊(cè)，丌關(guān)頻率是按卜面公式設(shè)置：

　　C， = l/ （l5kOx/su） =1/ （I5kn X 100kHz）

　　二666jpF （取接近的值為680pF）

　　電流檢測電阻（圮）

　　這種1C的保護(hù)方式是逐周電流檢測，當(dāng)電流信號(hào)超過0.47V的閾值時(shí)，就 立刻關(guān)斷功率開關(guān)。

　　在設(shè)計(jì)時(shí)，在的電流峰值勹保護(hù)的電流闕值之間留了 25%的裕度（保 護(hù)值為 1.25x2.8A = 3.5A）。

　　R} =0.47V/3.5A = 0.1340

　　接近的電阻值為o.m。

　　電壓檢測電阻分壓網(wǎng)絡(luò)（/？3和及4）

　　/？4 （下端的電阻）

　　/？4 = l-5V/lniA= 1.49kO （1%）

　　這樣檢測的電流為1.006mA。

　　及3 （上端電阻）

　　R3 = （5.0V-1.5V） /1.006inA = 3.48kn （1%）

　　電壓反饋環(huán)補(bǔ)償（參考附錄B）

　　這個(gè)例了是電壓型正激式變換器，為了得到的暫態(tài)響應(yīng)，選W 2個(gè)極 點(diǎn)，2個(gè)零點(diǎn)的補(bǔ)償器。

　　確定控制到輸出特性

　　輸丨h(huán)濾波器的極點(diǎn)是由濾波電感和電容決定的，超過轉(zhuǎn)折頻率后，以 -40dB/rkc下降。濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為/lp wCT

　　二，二 6.19Hz

　　2丌 7100/iH x 660/xF

　　由輸丨I;濾波電容的ESR引起的零點(diǎn)為（兩個(gè)ESR為120mn的電容并聯(lián)）：

　　{i14090H7

　　。_ 2t： x 60mn x 660/iF

　　電路的直流增益為

　　兒 M—V A U V/3 ？ 0V = 4.66 G兒=201g C4l）c） = 13.4dB 設(shè)置補(bǔ)償器極點(diǎn)和零點(diǎn)的位置閉環(huán)幅頻特性的穿越頻率不能高干20%的開關(guān)頻率（20kHz）。筆者在設(shè)計(jì) 吋發(fā)現(xiàn)，穿越頻率在10～15kHz之間，電路性能可以滿足多數(shù)應(yīng)WJ要求。暫態(tài)響 應(yīng)時(shí)間為200ps。

　　九二 15kHz

　　宵先假設(shè)補(bǔ)償B的系統(tǒng)回路增益是以-20dBA］^的斜率K降。為了得到 15kHz的穿越頻率，放大器要增大輸入信號(hào)的增益，使博德圖（曾稱為伯德圖） 上的曲線上移。

　　GX（1=201g （/xo//Ifl） -GDC=201g （l5kHz/619Hz） -13.4dB =G2 = + 14.3dB==（）

　　這就是為了得到所要的穿越頻率而需要的屮頻帶的增益（（；2）。

　　在個(gè)補(bǔ)償零點(diǎn)處的增益為

　　G +201g （/ez2”：pl） = + 14.3dB + 201g （310Hz/4020Hz）二-8dB

　　山二-0.4 （）

　　為了補(bǔ)償濾波器兩個(gè)極點(diǎn)，在濾波極點(diǎn)的一肀處設(shè)置兩個(gè)零點(diǎn)： f，A =/，.2 =310Hz個(gè)補(bǔ)償極點(diǎn)設(shè)置在電容的ESR頻率（4020Hz）。

　　/ePi = 4020Hz

　　第：個(gè)補(bǔ)償極點(diǎn)通過對(duì)高丫？穿越頻率的增益哀減來維持高頻的穩(wěn)定性。

　　/ftp2 二 1.5/xo = 22.5kHz 這樣就可以計(jì)算誤差放大器的補(bǔ)償參數(shù)：

　　r11

　　7 ~2izfX0A2R3 _ 27tx 15kHz x 5.2x3.48kO

　　= 586pF （収 560PF）

　　R2 ==0.4x3.48kH= 1.39ka （？X 1.5kn）

　　r11

　　6 ~ 27r/ezl R2 ~ 2ti x 310Hz x 1.5kH

　　= 2.9/xF （M2.2！i）

　　R5 = R2/A2 = 1.5ka/0.4 = 3.75ka （？X 3.9kn）~ 2tt/ez2 R5 ~ 2tt x 22.5kHz x 3.9kH =1814pF （取 1800pF）見圖3-65。

　　圖3-6510W Buck （降壓）電路