高效率开关电源设计实例

高效率开关电源设计实例高效率开关电源设计实例 以下设计实例中，包含了各种技巧来提高开关电源的总体效率。 有源钳位和元损吸取电 路的设计要紧依靠体会来完成的，因此不在那个地点介绍。 采纳新技术时必须小心，因为专门多是有专利的，可能需要直截了当付专利费给专利持 有人，或在购买每一片操纵 IC 芯片时，支付附加费用。在将这些电源引入生产前，请 注意那个问题。 10W10W 同步整流同步整流 BuckBuck 变换器变换器 应用应用 此设计实例是 PWM 设计实例 1 的再设计，它包括了如何设计同步整流器(板载的板载的10W10W 降压降压BuckBuck变换器变换器)。 在设计同步整流开关电源时， 必须认真选择操纵 IC。为了效率最高和体积最小， 一样同 步操纵器在系统性能上各有千秋， 使得操纵器只是在供应商提到的应用场合中性能较好。 专门多运行性能的微妙之处不能确定，除非认真读过数据手册。例如，每当作者试图设 计一个同步整流变换器，并试图使用现成买来的IC 芯片时，3／4 设计会被丢弃。这是 因为买来的芯片功能或工作模式往往无法改变。更不用说，当发觉现成方案不能满足需 求时，是令人沮丧的(见图 20 的电路图)。 设计指标设计指标 输入电压范畴： DC+10～+14V 输出电压： DC+5.0V 额定输出电流： 2.0A 过电流限制： 3.0A 输出纹波电压： +30mV(峰峰值) 输出调整： ±1％ 最大工作温度： +40℃ “黑箱”预估值“黑箱”预估值 输出功率： +5.0V*2A=10.0W(最大) 输入功率： Pout/估量效率=10.0W／0.90=11.1W 功率开关损耗 (11.1W-10W) * 0．5=0.5W 续流二极管损耗： (1l.lW-10W)*0.5=0.5W 输入平均电流输入平均电流 低输入电压时 11.1W／10V=1.1lA 高输入电压时： 11.1W／14V=0．8A 估量峰值电流： 1．4Iout(rated)=1．4×2．0A=2．8A 设计工作频率为 300kHz。 电感设计(参见正激式滤波扼流圈的设计正激式滤波扼流圈的设计) 最恶劣的工作情形是在高输入电压时。 Vin(max)——可能的最大输入电压。 Vout——输出电压。 Iout(min)——最小负载时的电流。 fsw ——工作频率。 式中 电感是个环形表面封装元件，市场上有多种标准表面封装的电感，那个地点选择的是 Coileraft 公司的 D03340P-333(33μH)。 功率开关和同步整流器功率开关和同步整流器 MOSFETMOSFET 的选择的选择 功率开关功率开关：功率开关要用一个变压器耦合的N 沟道功率 MOSFET。那个地点打算使用一 个 S0-8 封装的双 N 沟道 MOSFET，以节约 PCB 空间。最大输入电压是 DCl4V。因此，能 够选用 V DSS 不低于 DC+30V、峰值电流是 2．8A 的 MOSFET。 选择过程的第一步是确定所用 MOSFET 的最大 R DS（on）， 通过热模型能够确定那个值， 最大 的 R DS(on)可由下式得到：同时期望器件的耗散功率小于1W，因此估量的 RDS(on)应小于因此 选 FDS6912A 双 N 沟道 MOSFET，它是 S0-8 封装，10V 栅极电压时的导通电阻为 28mΩ。 同步二极管同步二极管：要用一个大约是同步 MOSFET 连续额定容量的 30％的肖特基二极管与 MOSFET 内部二极管并联，30V 时约为 0．66A。那个地点使用MBRSl30，该二极管在流过 0．66A 时有 0．35V 的正向压降。 可替换的元件可替换的元件： 在写本书时， 仙童半导体公司出品了一个集成的肖特基二极管和MOSFET， 肖特基二极管直截了当并在 MOSFET 的硅片上(syncFET)。SyncFET 有一个 40mΩN 沟道 MOSFET，与一个 28mΩSyncFET 一起封装，型号为 FDS6982S。 输出电容输出电容(参见输出级的设计输出级的设计) 输出电容值由下列公式确定： 输入和输出滤波电容要紧考虑的是流入电容的纹波电流。 在那个实例中， 纹波电流和电感交 流电流是相同的，电感电流最大值限定在2．8A，纹波电流峰峰值为 1．8A，有效值大约 为 O．6A(约为峰峰值的 1／3)。 采纳表面安装钽电容，因为它的 ESR 只有电解电容的 10％～20％。在环境温度+85。C= 时，电容将降额 30％使用。 最佳的电容是来自 AVX 公司的，它的ESR 专门低，因此能够适应专门高的纹波电流，但 这是专门专门的电容。在输出端可将下列两种电容并在一起。 AVX： TPSEl07M01R0150 1OOμF(20％)，10V，150mΩ，O．894A(有效值) TPSE107M01R0125 100／μF(20％)，10V，125mΩ，0．980A(有效值) Nichicon： F750A107MD 100μF(20％)，10V，120mΩ，0．92A(有效值) 输入滤波电容输入滤波电容(见功率因数校正功率因数校正) 那个电容要流过与功率开关相同的电流，电流波形是梯形的，从最初的lA 专门快上升 到 2.8A。 它的工作条件比输出滤波电容恶劣得多。 可把梯形电流看成两个波形的叠加来 估量有效值：峰值 1A 的矩形波和峰值 1．8A 的三角波，产生大约 1．1A 的有效值。 电容值由下式运算： 电压越高，电容值越低。电容由两个1OOμF 电容并联而成，它们是： AVXAVX(每个系统需两个)： TPSl07M020R0085TPSl07M020R0085 1OOμF(20％)，20V，85mΩ，1．534A(有效值) TPSl07M020R0200TPSl07M020R0200 100μF(20％)，10V，200mΩ，1．0A(有效值) 选择操纵选择操纵 ICIC 芯片芯片(U1) 期望的 buck 操纵 IC 芯片的特性是： 1．直截了当从输入电压即可启动的能力。 2．逐周电流限制。 3．图腾柱 MOSFET 驱动器。 4．功率开关和同步整流器 MOSFET 之间延时的操纵。 市场上绝大部分同步 buck 操纵器差不多上用于+5～+1．8V 微处理器调整电源的(如， +12V 的 V dd 和+5V 的 V in)。也有专门多 IC 芯片能够提供足够的功能，使用者能够依照顾 用来选择这些功能。在选择时，初选了两家加利福尼亚公司的产品，发觉只有一种IC 适合这种要求，确实是 Unitrode／TI 的 UC3580-3。 电压误差放大器的内部基准是 2．5(1±2．5％)V。 设定工作频率设定工作频率(R(R 7 7、 、R R 8 8 和和 C C 8 8) ) R 8 给定时电容 C 8 充电，而 R 7 给定时电容放电。第一，要确定变换器最大占空比。因为 输出电压大约是最低输入电压的 50％，因此选择最大占空比为 60％。 从数据手册得 充电时刻最大值是 0．6／300kHz 或 2μs。参数表上定时电容值 lOOpF 略偏小可不能耗 散太多能量。那个地点采纳那个值，因此R 8 的值是 伏伏 秒限制器秒限制器