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DCDC稳压供电及稳压芯片选择外围电路的设计 [复制链接]

本帖最后由 qwqwqw2088 于 2020-6-19 08:42 编辑

1.总体设计
假设我们需要将直流DC25.2V转化为5V输出,输出电流为1.21A,那么如何选择合适的稳压芯片和稳压电路实现上述的指标要求呢?

首先我们应该选择是采用线性稳压芯片,还是开关型稳压芯片。

假设采用线性稳压芯片,我们来计算一下耗散功率,输入为25.2V,输出为5V,输出电流为1.21A,因此耗散功率P等于:
image-20200618170454-1.png

这个耗散功率是远远大于正常情况下线性稳压芯片所要求的耗散功率的最大值,一般来说要求耗散功率应小于1.9W,否则芯片的发热将十分严重,无法避免。因此采用线性稳压芯片是不适合这种压差和输出电流很大的场合。

因此我们只能采用开关型稳压芯片,开关型稳压芯片其三极管工作在饱和区,因此其转换效率较高,输出电流较大,耗散功率较小,因此发热量较小,适合这种大压差大负载的需求场景。但是开关型稳压芯片由于其输出是通过高频的开启和关闭来实现调压,因此输出的电流的高频成分较大,因此其输出的电流的稳定性等不如线性稳压芯片。因此在下一级使用之前,应该对开关型稳压芯片增加一些外围电路,使输出的电流的稳定性更好,更接近理想的直流输出。

例如我们采用LM2596-5V的DCDC稳压芯片。其输入电压范围是7-40V,输出电压为5V,输出电流最大为3A,开关频率为150KHz。

一个DCDC的电路的典型电路图如下所示:

image-20200618170531-2.png
2.电感的选择
那么首先根据商家提供的图标进行选择电感:

image-20200618170612-3.png
可以看到,在25.2V的输入,输出电流最大为1.21A的情况下,其电感取值为100uH比较合适。这里最好使用带有磁屏蔽的贴片电感。

3.输出滤波电容的选择
然后我们选择输出级的滤波电容,一般来说,输出电容的耐压程度为电压的1.5倍基本上就可以,但是对于这里来说,低耐压电容的等效阻抗比较大,220μF /10V的铝电解电容也会产生大约 225Ω的等效阻抗,这么大的等效电阻会在输出端产生相对高的输出纹波电压。要把纹波电压降到输出电压的 1%或更低,就需要选择一个耐压(低等效电阻的)更高或容值更高的电容。一个16V或 25V的电容几乎可以把纹波电压降到原来的一半。

总结来说,在大多数的使用中,使用 82μF~820μF之间的低等效电阻(Low ESR)的电解电容或固态钽电容效果最好,电容要靠近 IC,管脚要短,连接的铜线要短。不要使用大于 820μF的电容。
对于电容容值的选择,我们也可以直接查下面的表格来选择:

image-20200618170656-4.png
通过查表,我们选择的电容参数为180uF/35V的直插式电解电容。

4.前馈电容的选择
通过上面的我们对于电容的讲解,在输出端的大电容旁,我们可以并联一个小电容,从而提高电路的稳定性,这个电容的典型值在100pF~100nF之间,对于高输出电压、低输入-输出电压时和/或低等效电阻的输出电容等情况,这个电容可以使电路格外稳定,如固态钽电容。也可以是瓷片电容、塑胶或云母电容等(但是Z5U/Y5V瓷片电容性能不稳定,所以建议不要使用这种电容)。

这里我们选100nF的104贴片电容。

5.吸纳二极管的选择
吸纳二极管的哦选择应遵循以下原则:

A. 吸纳二极管的最大承受电流能力至少要为最大负载电流的 1.3倍,如果设计的电源要承受连续的短路输出,则吸纳二极管的最大承受电流能力要等于 LM2596的极限输出电流。对吸纳二极管来说,最坏的情况是过载或输出短路。

B. 吸纳二极管的反向耐压至少要为 最大输入电压的 1.25倍。

C. 吸纳二极管必须是快恢复的且必须靠近 LM2596,此二极管的管脚要短,连接的铜线也要短。由于所需的二极管开关速度快、正向压降低,所以,肖特基二极管是首选,同时,它的性能和效率都很好,特别是在低输出电压情况下更是如此。使用超快恢复或高效整流二极管效果也很好,但是,一些有突然关断性能的这种器件可能会引起不稳定或电磁感应的问题。超快恢复二极管的典型恢复时间为 50ns或更快, 但 IN5400系列的整流二极管速度很慢,通常不用。

综上所述,在假设极限工作电流2A,短路电流3A的情况下,我们应选择的肖特基二极管的最大承载电流等于3A,耐压要大于31.5V,且开关频率要大于150kHz。

因此我们可以选择型号为SS34 IN5822的肖特基二极管,其参数为3A 40V,反向恢复时间在8~15NS内,满足我们的使用要求。

6.输入电容的选择
为了防止在输入端出现大的瞬态电压,在输入端和地之间要加一个低等效电阻的铝或钽电容作为旁路电容,这个电容要靠近 IC。另外,输入电容电流的均方根值至少要为直流负载电流的一半。要确保所选的电容的这个参数不能低于直流负载电流的一半。

对铝电解电容,其耐压值要为最大输入电压的 1.5倍。必须注意的是,如果使用了钽电容,则它的耐压要为输入电压的 2倍,推荐使用生产厂家测试过浪涌电流的电容。使用瓷片电容为输入旁路电容时要特别小心,因为这可能会在输入脚处引起非常严重的噪声。

因此我们在选择输入电容的时候,需要根据输入电压和输出电流来选择,电容的耐受电压至少大于输入电压的1.5倍,而电容的均方根电流应至少大于负载电流的0.5倍,因此根据下图我们选择合适的电容:

image-20200618170734-5.png

通过上述图,我们应该选择25.2*1.5=37.8V以上的,1.5A以上的电容,因此这里我们选择470uF的50V电解电容。

综上所述,我们已经实现了一个DCDC的电源的外围电路的设计和选型。


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