硬體設計之一 電源設計02 DCDC設計

2021-10-05 00:21:12 字數 2394 閱讀 6034

dcdc的意思是直流變(到)直流(不同直流電源值的轉換),只要符合這個定義都可以叫dcdc轉換器.

具體表示的是將某一電壓等級的直流電源變換其他電壓等級直流電源的裝置。dc/dc按電壓等級變換關係分公升壓電源和降壓電源兩類,按輸入輸出關係分隔離電源和無隔離電源兩類。

一般建議實際使用功率是dc-dc電源晶元額定功率的30~80%為宜,也就是降額70%使用,這個功率範圍內dc-dc電源晶元各方面效能發揮都比較充分而且穩定可靠。負載太輕造成資源浪費,太重則對溫公升、可靠性等不利。所有dc-dc電源晶元均有一定的過載能力,但是仍不建議長時間工作在過載條件下,畢竟這是一種短時應急之計。

dc-dc電源晶元的封裝形式多種多樣,符合國際標準的也有,非標準的也有,就同一公司產品而言,相同功率產品有不同封裝,相同封裝有不同功率,那麼怎麼選擇封裝形式呢?主要有三個方面:

一般廠家的dcdc電源晶元都有幾個溫度範圍產品可供選用:商品級、工業級、軍用級等,在選擇dc-dc電源晶元時一定要考慮實際需要的工作溫度範圍,因為溫度等級不同材料和製造工藝不同**就相差很大,選擇不當還會影響使用,因此不得不慎重考慮。可以有兩種選擇方法:一是根據使用功率和封裝形式選擇,如果在體積(封裝形式)一定的條件下實際使用功率已經接近額定功率,那麼模組標稱的溫度範圍就必須嚴格滿足實際需要甚至略有裕量。二是根據溫度範圍來選,如果由於成本考慮選擇了較小溫度範圍的產品,但有時也有溫度逼近極限的情況,怎麼辦?最常用的方法就是降額使用。即選擇功率或封裝更大一些的產品,這樣「大馬拉小車」,溫公升要低一些,能夠從一定程度上緩解這一矛盾。總之要麼選擇寬溫度範圍的產品,功率利用更充分,封裝也更小一些,但**較高;要麼選擇一般溫度範圍產品,**低一些,功率裕量和封裝形式就得大一些,所以很多時候需要工程師進行折衷考慮。

另外一方面當dc-dc電源晶元開關頻率接近訊號工作頻率時容易引起差拍振盪,選用時也要考慮到這一點。

有關統計資料表明,dcdc電源晶元在預期有效時間內失效的主要原因是外部故障條件下損壞。而正常使用失效的機率是很低的。因此延長壽命、提高系統可靠性的重要一環是選擇保護功能完善的產品,即在電源外部電路出現故障時模組電源能夠自動進入保護狀態而不至於永久失效,外部故障消失後應能自動恢復正常。電源設計的保護功能應至少包括輸入過壓、欠壓、軟啟動保護;輸出過壓、過流、短路保護,大功率產品還應有過溫保護等。

根據公式 ,其中pin、pout、p耗分別為模組電源輸入、輸出功率和自身功率損耗。由此可以看出,輸出功率一定條件下,模組損耗p耗越小,則效率越高,溫公升就低,壽命更長。除了滿載正常損耗外,還有兩個損耗值得注意:空載損耗和短路損耗(輸出短路時模組電源損耗),因為這兩個損耗越小,表明模組效率越高,特別是短路未能及時採取措施的情況下,可能持續較長時間,短路損耗越小則因此失效的機率也大大減小。當然損耗越小也更符合節能的要求。

說明部分都會對外圍器件引數的選擇給出詳細的講解和計算的公式,有些廠商還會給出參考bom;每做一款新的dcdc晶元,都要對所有引數的計算過程進行詳細的了解,以及實際的計算;

原理部分這樣做就好了;

pcb部分的要點在於以下幾個方面:

1、一般dcdc電源布局先找到主電流流向,先布置主電流一般為「一」或者「l」型

2、電感靠近輸出(sw)位置,外接肖特基二極體放置在(sw)附近

3、反饋取樣點(電壓取樣點)應該在濾波電容之後,這樣紋波會盡量減小 ,反饋路徑盡量短;

4、濾波電容位置應根據電流的流向布置

layout方面一般要考慮好3個迴路。

下圖兩個迴路是電流迴路,pcb上要將他們的面積做到最小,否則電源質量,以及干擾會比較大;

另外乙個是高頻迴路,高頻迴路不好的話會產生很強的emc干擾 ;

以sepic電路為例

在開關管q1導通和斷開的兩個狀態中,l1和l2上的電流都是乙個漸變的過程,所以l1和l2不是電路中的高頻部分。

q1自己通過的電流變化是乙個高頻變化的量。

二極體d1是乙個高頻變化的量,當q1導通時,d1上的電流瞬間變為0。

所以電路中的高頻部分就是q1和d1,但是這還不完整,我們得看看高頻部分的完整迴路。

上圖畫出了buck、boost、sepic的高頻迴路。

其中sepic電路中高頻迴路是由q1、cs、d1、cout組成,所以在布局的時候把這四個元器件盡量擺放的近一點,讓它們首尾相連,使得整個電流迴路面積盡量小,這樣對外產生的干擾就會小。

buck、boost電路也是一樣的,使高頻迴路的面積盡量小即可減少干擾。

另外,在設計layout時盡量單面布局,讓dc-dc的背面有乙個完整的地平面。

硬體電源模組設計與思考

最近一直搞嵌入式方面的學習,發現自己在初學嵌入式方面有著很多很多的疑問,我想大多數沒有多少經驗的朋友們剛剛踏入嵌入式領域也會有著與我相同的疑問,因此,我想在此寫一系列文章,分享自己在嵌入式學習方面遇到的疑問以及心得,希望高手們指出文章中的錯誤,也歡迎與我一樣的初學者提出你的疑問我們一起來學習和討論,...

硬體電源模組設計與思考

最近一直搞嵌入式方面的學習,發現自己在初學嵌入式方面有著很多很多的疑問,我想大多數沒有多少經驗的朋友們剛剛踏入嵌入式領域也會有著與我相同的疑問,因此,我想在此寫一系列文章,分享自己在嵌入式學習方面遇到的疑問以及心得,希望高手們指出文章中的錯誤,也歡迎與我一樣的初學者提出你的疑問我們一起來學習和討論,...

硬體設計 電源設計 倍壓電路原理及應用

參考資料 簡單直流二倍壓電路介紹 倍壓整流電路圖大全 九款倍壓整流電路設計原理圖詳解 倍壓整流電路的工作原理 在電路設計過程中,當後級需要的電壓比前級高出數倍而所需要的電流並不是很大時,就可以使用倍壓整流電路。倍壓整流 可以將較低的交流電壓,用耐壓較高的整流二極體和電容器,整 出乙個較高的直流電壓。...