在DC/DC變換器設(shè)計(jì)中，DC-DC電源布局布線建議

在DC/DC變換器設(shè)計(jì)中，對于兩路輸出功率不相等的模塊來說，其設(shè)計(jì)主要有兩種方法：一是采用變壓器繞組，并利用耦合電感和低壓穩(wěn)壓電路進(jìn)行二次穩(wěn)壓方法。二是采用變壓器次級多繞組來分別輸出兩路相對獨(dú)立的電壓。其中方法一雖然可以提高電路的穩(wěn)定度，保證輸出電壓的精度，但是會增加電路的損耗，因?yàn)槎畏€(wěn)壓電路的輸入和輸出電壓差越小，穩(wěn)壓電路功耗就越小，而該項(xiàng)目兩路輸出功率相差很大(分別為55W和2.5 W)，主路功率變化范圍也較大。而若采用方法二，又由于反饋只能控制一路電壓，所以只能有一路輸出電壓的精度得到保證，另一路電壓只能靠變壓器和濾波電感預(yù)穩(wěn)，而主路輸出功率變化較大又必然帶來輔路變壓器次級電壓的較大變化，因而無法保證輸出電壓的精度。為此，本設(shè)計(jì)采用兩路輸出來分別獨(dú)立地控制和反饋，這樣既可以精確控制輸出電壓，又可以減小因二次穩(wěn)壓帶來的損耗。

在電子設(shè)備中，電源模塊是核心組件，將輸入直流電壓轉(zhuǎn)為設(shè)備所需的各種直流電壓。DC-DC電源轉(zhuǎn)換器，特別是基于開關(guān)方式的轉(zhuǎn)換器，因其高效、小體積和輕重量等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。但設(shè)計(jì)優(yōu)秀的DC-DC電源轉(zhuǎn)換器并不容易。布局、電磁兼容性、電流和散熱管理等方面均需深思熟慮和精細(xì)調(diào)整。

為優(yōu)化供電性能，開關(guān)電源應(yīng)靠近芯片放置，避免輸出線過長導(dǎo)致壓降。為降低電磁干擾，避免在開關(guān)電源周圍布置敏感元器件。為增強(qiáng)穩(wěn)定性和可靠性，需考慮布線策略、地線加粗、散熱地設(shè)計(jì)等因素。

一、DC-DC電源應(yīng)用介紹

1、DC-DC應(yīng)用類型簡介

DC-DC電源是直流電壓轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備，包括LDO等類型。其中，利用開關(guān)方式實(shí)現(xiàn)的器件常被稱為DC-DC轉(zhuǎn)換器。這類電源具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，并能抗干擾、寬范圍輸出，因此在電子領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

2、DC-DC電源工作原理

DC-DC電源的工作原理涉及到電壓的轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)。這個(gè)過程主要是通過開關(guān)電源的變換器來實(shí)現(xiàn)的。DC-DC變換器在開關(guān)電源中負(fù)責(zé)將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換為所需的輸出直流電壓。一般情況下，這個(gè)變換器的工作原理可以分為三個(gè)主要步驟：

1)濾波：當(dāng)市電經(jīng)過輸入開關(guān)接通后，首先經(jīng)過整流電路變成脈動直流電，再經(jīng)過濾波電路濾除紋波，變成平滑直流電，供給變換器進(jìn)行變換。

2)變換：DC-DC變換器將輸入電壓通過功率開關(guān)管和儲能電感產(chǎn)生一定的脈沖功率，然后利用脈沖變壓器、整流濾波電路，得到相應(yīng)的輸出電壓。電壓的轉(zhuǎn)換通過PWM(脈寬調(diào)制)或PFM(頻率調(diào)制)控制開關(guān)管的開關(guān)時(shí)序來實(shí)現(xiàn)。在開關(guān)電源中，開關(guān)管的開關(guān)速度非常快，一般在幾十微秒的時(shí)間內(nèi)完成開關(guān)動作，這個(gè)速度要比傳統(tǒng)線性電源的調(diào)整速度快很多。

3)調(diào)節(jié)：輸出電壓的穩(wěn)定是通過反饋環(huán)路來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，通過取樣電阻取得的樣本信號就會升高，這個(gè)信號與基準(zhǔn)電壓比較后得出的誤差信號就會增大，然后通過PWM或PFM控制的方式減小開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，從而降低變換器輸出的平均功率，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。

二、關(guān)鍵器件的選擇

1、輸出電感

電感儲存磁能，確保電流穩(wěn)定輸出。選擇電感時(shí)需權(quán)衡大小，大電感損耗小但響應(yīng)慢，小電感快速響應(yīng)但損耗大。考慮飽和電流，保證濾波效果。

2、分壓電阻

分壓電阻形成分壓網(wǎng)絡(luò)，反饋輸出電壓給控制電路，精準(zhǔn)控制PWM占空比，穩(wěn)定輸出電壓值。選擇高精度電阻，確保電路精確性。

3、輸入電容

選擇輸入電容需考慮等效電感和自諧振頻率。大容值電容濾除低頻噪聲，小容值電容濾除高頻噪聲。組合并聯(lián)使用可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異濾波效果，穩(wěn)定輸入電壓并濾除交流成分。

4、輸出電容

輸出電容濾除開關(guān)紋波，確保輸出電流純凈。容值越大，阻抗越小，紋波更容易流過。選擇合適的輸出電容對電路穩(wěn)定工作至關(guān)重要。

在挑選這些核心組件時(shí)，我們需要綜合考慮各種因素以求達(dá)到最佳平衡。比如電感的選取就在效率和響應(yīng)速度之間尋找平衡;而分壓電阻則需要精確穩(wěn)定地反饋電壓;輸入輸出電容則需要根據(jù)不同的工作頻率噪聲特性來進(jìn)行挑選;最后的輸出電容更是要綜合考慮容值和ESR以最小化紋波。通過精心的挑選，我們可以使電路在高效、穩(wěn)定的狀態(tài)下工作，從而將電路的性能發(fā)揮到極致。

三、DC-DC電源布局布線建議

電源模塊布局布線可提前下載芯片的datasheet(數(shù)據(jù)表),按照推薦的布局和布線進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1、布局設(shè)計(jì)

1)芯片電源接近原則：對于為芯片提供電壓的開關(guān)電源，應(yīng)確保它盡量靠近芯片放置。這樣可以避免低電壓輸出線過長，從而減少壓降，確保供電性能不受影響。

2)避免電磁干擾：開關(guān)電源在高電壓大電流的狀態(tài)下工作，可能會引發(fā)復(fù)雜的電磁兼容性問題。因此，開關(guān)電源周圍應(yīng)避免布置敏感元器件，以減少電磁干擾對元器件工作的影響。

3)以電源芯片為核心布局：在布局時(shí)，應(yīng)以開關(guān)電源芯片為核心元器件進(jìn)行組織。電源濾波器的輸入及輸出端在布局時(shí)要確保足夠的距離，防止噪聲從輸入端耦合到輸出端。元器件應(yīng)整齊、緊湊地排列在PCB上，以減少和縮短各元器件間的引線和連接。

DC/DC 轉(zhuǎn)換電路主要分為以下三類：

(1) 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路

(2) 線性(模擬)穩(wěn)壓 電路

(3) 開關(guān)式穩(wěn)壓 電路

齊納二極管是最簡單的設(shè)計(jì)方案。該穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)簡單，但負(fù)載能力差，輸出功率小。選擇齊納二極管時(shí)，可按如下估算：

(1) Uz=Vout;

(2) Izmax=(1.5-3)ILmax

(3)輸入電壓=(2-3)輸出電壓

該電路結(jié)構(gòu)簡單，可以抑制輸入電壓的擾動，但由于受穩(wěn)壓器最大工作電流、輸出電壓的限制，不能同時(shí)調(diào)節(jié)，因此該電路適用于不需要輸出電壓的場合待調(diào)整，負(fù)載電流小，要求不高。

穩(wěn)壓電路的另一種形式 ，有些芯片對電源電壓要求較高，如AD DA芯片的參考電壓等，此時(shí)常用一些常用的電壓參考芯片如TL431、MC1403、REF02等。

TL431是最常用的基準(zhǔn)源芯片，具有良好熱穩(wěn)定性的三端可調(diào)分壓源。它的輸出電壓可以通過兩個(gè)電阻任意設(shè)置為 Vref(2.5v) 和 36V 之間的任何值。其他幾種參考電壓源芯片電路類似。

串聯(lián)穩(wěn)壓電源電路知識：串聯(lián)穩(wěn)壓器是直流穩(wěn)壓器的一種，實(shí)際上是三端穩(wěn)壓器出現(xiàn)之前常見的直流供電方式。在三端穩(wěn)壓器出現(xiàn)之前，串聯(lián)穩(wěn)壓器通常有OP放大器和穩(wěn)壓二極管組成檢錯電路。

線性(模擬)集成穩(wěn)壓電路的常用設(shè)計(jì)方案 。

線性穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)主要基于三端集成穩(wěn)壓器。三端穩(wěn)壓器主要有兩種類型：

第一類輸出電壓是固定的，稱為固定輸出三端穩(wěn)壓器。三端穩(wěn)壓器常見的產(chǎn)品有78系列(正電源)和79系列(負(fù)電源)。輸出電壓在具體型號中用最后兩位數(shù)字表示，分別為5V、6V、8V、9V、12V、15V、18V、24V等檔次。輸出電流以78(或79)后的字母區(qū)分，L表示0.1a，M表示0.5a，無字母表示1.5a。比如表78L05，5V就是0.1a。