用開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)您自己的DC-DC轉(zhuǎn)換器

通過使用開關(guān)穩(wěn)壓器，可以顯著抑制電路的發(fā)熱量，不僅更節(jié)能，還可以減小散熱器尺寸，從而能夠減小電路規(guī)模并設(shè)計(jì)出低發(fā)熱的電源電路。

用開關(guān)穩(wěn)壓器制作DC-DC轉(zhuǎn)換器

開關(guān)穩(wěn)壓器IC是一種從一定的直流電壓中獲得所需電壓值的電源IC，用于控制開關(guān)式的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

還有一種方法是通過使用了齊納二極管或三端穩(wěn)壓器等器件的電路從高電壓產(chǎn)生所需電壓（降壓），但如果需要幾安培的大電流，就需要通過開關(guān)穩(wěn)壓器來降壓了。

比預(yù)期更易用的開關(guān)穩(wěn)壓器IC

這次使用的開關(guān)穩(wěn)壓器IC ROHM BD9E301。表面貼裝型SOP8封裝，但也可通過轉(zhuǎn)換板在萬用板上使用。

開關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)

在電源電路中使用開關(guān)穩(wěn)壓器的好處是“效率高”。使用開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)需要一些外置器件才能使用。與三端穩(wěn)壓器不同，它僅憑IC和電容器是無法工作的，這部分因素可能會(huì)給人一種難以下手的印象。

知道開關(guān)式穩(wěn)壓器工作原理的人，可能會(huì)因?yàn)椤氨仨毟缴?a target="_blank">振蕩器和線圈之類的器件才能用，對(duì)吧？”這種先入為主的偏見而不太喜歡開關(guān)穩(wěn)壓器。其實(shí)，由于最近的開關(guān)IC中內(nèi)置了大部分功能，因此所需的外置元器件很少，電路設(shè)計(jì)已經(jīng)越來越容易了，不需要花費(fèi)太多的時(shí)間和精力。

雖然用來降低電壓的降壓電路方式有很多種，但使用開關(guān)穩(wěn)壓器的方式可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)80%～95%的轉(zhuǎn)換效率。其他還有使用三端穩(wěn)壓器的方式，但效率通常只有50%以下，功耗浪費(fèi)嚴(yán)重，而且發(fā)熱量非常大。需要將較大負(fù)載連接到降壓電路時(shí)，可以通過使用開關(guān)穩(wěn)壓器來創(chuàng)建發(fā)熱量少的節(jié)能型電路。

創(chuàng)建DC-DC轉(zhuǎn)換器電路

現(xiàn)在，我們要使用開關(guān)穩(wěn)壓器IC制作DC-DC轉(zhuǎn)換器了。

這次，我們將使用一款從12V電源的輸入可以輸出5V/2A的DC-DC轉(zhuǎn)換器。這個(gè)輸出規(guī)格的話，可以驅(qū)動(dòng)USB設(shè)備，因此，還可以讓您的自制設(shè)備具備USB充電器功能。

開關(guān)穩(wěn)壓器IC使用ROHM的BD9E301。該IC內(nèi)置有FET，支持最大2.5A的輸出，輸入電壓范圍寬（7～36V），具有可通過外置電阻自由調(diào)整輸出電壓的功能。

BD9E301的技術(shù)規(guī)格書。開關(guān)穩(wěn)壓器的技術(shù)規(guī)格書中提供了電路設(shè)計(jì)示例，可以參考示例創(chuàng)建電路。

出處：7.0V～36V 輸入、2.5A 內(nèi)置MOSFET 1ch 同步整流降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器 – BD9E301EFJ-LB(E2) | ROHM Co., Ltd.

在開關(guān)穩(wěn)壓器的技術(shù)規(guī)格書中，除了基本規(guī)格外，還提供了電路設(shè)計(jì)示例和圖案布局示例等內(nèi)容，因此我們將參考技術(shù)規(guī)格書進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。

將開關(guān)穩(wěn)壓器IC裝在轉(zhuǎn)換板上之后安裝在萬用板上的樣子。

由于BD9E301是表面貼裝型IC，所以需要通過轉(zhuǎn)換板安裝在萬用板上。使用轉(zhuǎn)換板的話，可能會(huì)因散熱量不足而導(dǎo)致故障，所以在使用轉(zhuǎn)換板時(shí)要注意電流量和發(fā)熱量。

我們根據(jù)技術(shù)規(guī)格書中的應(yīng)用電路，將電子器件焊接到電路板上。由于輸出電壓由R1和R2的分壓電阻之比決定，因此我們將R1設(shè)置為12kΩ，將R2設(shè)置為3kΩ，其他部件使用與技術(shù)規(guī)格書中相同的元器件。

由于開關(guān)電源是在高頻下反復(fù)ON/OFF的電路，因此應(yīng)盡可能將元器件安裝在靠近IC的位置，以免布線距離變長(zhǎng)。從某種意義上講，開關(guān)穩(wěn)壓器的布局是需要格外用心的項(xiàng)目之一。由于技術(shù)規(guī)格書上也提供了基本的布局說明，所以我們將參考其中的元器件布置方案來創(chuàng)建電路。

完成的DC-DC轉(zhuǎn)換器的背面。在表面上安裝了DIP器件，在焊接面上安裝了線圈。要實(shí)際安裝的元器件很少，只需要電阻器、幾個(gè)電容器和1個(gè)線圈即可使用開關(guān)穩(wěn)壓器制作DC-DC轉(zhuǎn)換器。

當(dāng)將12V電壓施加到完成的電路時(shí)，輸出了5V電壓。由于輸出電壓是通過反饋來維持穩(wěn)定的，因此即使外部電壓波動(dòng)，也能始終輸出5V。這個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器IC可輸出高達(dá)（電源電壓 x 0.7V）的電壓，因此理論上即使電壓降至7.2V也能工作。

我們已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)5V/2A的電源電路，現(xiàn)在，讓我們將USB引腳連接到輸出部分，以便為USB設(shè)備供電。

如果您將USB引腳連接到自制的5V DC-DC轉(zhuǎn)換器，也可以為USB設(shè)備充電。照片中正在為iPad充電。發(fā)熱量出乎意料地小，可以穩(wěn)定充電。

按照這種方式，即使用開關(guān)IC，也能輕松制作出5V輸出的電源電路。在制作電路時(shí)，作為附加功能增加USB充電功能可能會(huì)很有趣。

要想將開關(guān)電源做成產(chǎn)品推出，還會(huì)涉及到很多問題，比如PCB布局和是否符合EMI（電磁干擾）相關(guān)法規(guī)。在這里希望大家了解的是，使用開關(guān)穩(wěn)壓器IC可以輕松完成電路設(shè)計(jì)這部分。

創(chuàng)建DC-DC轉(zhuǎn)換器電路

前面也提到過，最近的開關(guān)IC由于外置元器件少，電路設(shè)計(jì)材料也豐富，因此使用它們可以輕松地創(chuàng)建開關(guān)方式的降壓電路。

在實(shí)際的電源電路設(shè)計(jì)中，您是否為不知道該用開關(guān)穩(wěn)壓器好還是用三端穩(wěn)壓器好而煩惱過呢？

開關(guān)穩(wěn)壓器的魅力在于其效率高，但在某些電路應(yīng)用中，這項(xiàng)優(yōu)勢(shì)可能無法充分發(fā)揮出來。例如，在僅使用微控制器和幾個(gè)LED的、電流僅幾十mA的電路中，即使提高效率，也沒有太大的實(shí)用價(jià)值。

此外，開關(guān)式電源的效率會(huì)隨著負(fù)載電流的減小而降低，相反地，三端穩(wěn)壓器的效率則較好，此時(shí)開關(guān)穩(wěn)壓器所需元器件數(shù)量多、噪聲紋波大等缺點(diǎn)就顯得比較突出了。在這種情況下，從整體成本上看，使用三端穩(wěn)壓器更具優(yōu)勢(shì)。

總體而言，不要簡(jiǎn)單地認(rèn)為“開關(guān)穩(wěn)壓器效率高所以更好！”而選擇它，而是要從功耗和電路尺寸等各方面因素綜合考慮來選擇合適的方式，這一點(diǎn)很重要。

總結(jié)

當(dāng)聽到“開關(guān)穩(wěn)壓器”這個(gè)詞時(shí)，首先讓人想到的可能是“難以操作”，但實(shí)際用它試試看時(shí)，您會(huì)發(fā)現(xiàn)其實(shí)并不像想象中的那么麻煩，稍加努力就可以創(chuàng)建出高效的電源電路。

如果您能夠玩轉(zhuǎn)開關(guān)穩(wěn)壓器，除了降壓之外，還可以自由自在地操作電路的電壓（比如升壓、反相、升降壓等），這會(huì)讓您的電路設(shè)計(jì)范圍更寬更廣。

開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的真正難點(diǎn)在于決定元器件配置的圖案布局，以及符合各國(guó)法規(guī)的EMI對(duì)策。其實(shí)如果只是試制級(jí)別的話，很容易就可以做出來。因此，在電子作品制作中，開關(guān)穩(wěn)壓器不失為一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

這次我們使用的是表面貼裝型開關(guān)穩(wěn)壓器IC，其實(shí)還有可直接用于萬用板的DIP型IC和內(nèi)置有線圈的開關(guān)穩(wěn)壓器等產(chǎn)品，因此，開關(guān)IC在電子制作中已經(jīng)變得越來越方便使用了。此外，在最新的產(chǎn)品中，還包括輸出電流高達(dá)7A～8A且內(nèi)置FET的產(chǎn)品類型。

對(duì)于正在用三端穩(wěn)壓器和大型散熱器制作電源電路的人，或者正在通過連接DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊制作小物件的人而言，挑戰(zhàn)使用開關(guān)穩(wěn)壓器IC進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，不失為一個(gè)不錯(cuò)的嘗試。

開關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器的區(qū)別。兩種穩(wěn)壓器各有利弊，所以要物善其用，根據(jù)具體情況區(qū)分選用。三端穩(wěn)壓器屬于線性穩(wěn)壓器。

文章來源：羅姆半導(dǎo)體集團(tuán)

審核編輯 黃宇