开关电源原理及选型介绍

木犯001号

开关电源原理及选型介绍 [复制链接]

开关电源的原理及选型（DC-DC）

使用开关电源关注参数：
1.输出精度
2.纹波
3.动态响应速度
4.温度
5.效率

开关电源原理：

1.通过开关的打开和闭合产生周期性的方波，如12V的输入电压，5V的输出电压，则方波的高低电平的比例是5：7；也就是PWM波，通过改变方波的占空比来调整输出。

• 为方便记忆：可以将开关电源里内部的开关理解成小人才周期性的打开和闭合开关。

  

   

• 实际设计中，开关是用mos管代替的，内部有反馈控制电路用于控制，开关的闭合频率，调整高低电平的比例，达到输出平缓的电压。

   

  

   

• 波形分析：

• 负载处的实际的电压波形，如12V波形所示，而我们所需要的是5V所示的波形，从图中可以看出，在相同时间内，两处的面积是相等的，所以我们只是需要将12V的电压波形，滤波成5V即可。

• 加入电容后，将多余的电能储存起来，似乎就可以得到输出平稳的波形；实际输出的电压波形，也不是我想要的波形，且电流波形也会有尖刺，原因是电容两端电压不能突变。

  
  
  理论上du突然变大，时间dt无穷小，导致电流无穷大。

   

• 当开关闭合的时候，电容的两端也因为电压瞬间增大到12V，导致芯片的输出电流瞬间变成无穷大，也就是尖峰电流。

  

   

• 解决电流突变的办法：可以加入个电阻，R1通过测量确实可以产生输出电压5V的电压；
  但电阻本身消耗能量，发热明显。所以可以我们可以将电阻用电感替换（电感理论上是不消耗能量的），且电感两端的电流不能突变。

  
   
  

   

• 加入电感后电流波形如上，看上去解决了电容的充电电流过大的问题，但实际上，电感的电流是不能突变的，所以当mos管断开的时候，电感的一端悬空了，电流无法释放。所以给电感加入一个续流二极管，给电感提供一个释放电流的回路。
  也就是说有电感的时候必须要有续流回路，原因是电感上的电流不能突变。

  
   
  
  
  DC-DC拓补图就出来了，简要分析下：
  a点电压波形是周期性矩形波，b点电压经过电感，电容滤波，输出平稳的电压（肯定有纹波的存在），电流波形：电流被分成了两部分，负载上是直流分量，交流分量在电容上流过。
  
  
  同步整流，异步整流
  当续流二极管用mos管代替时，而且要保证两个mos管的开关性相反，这就是同步整流电路，优点：功耗低，效率高。
  
  
  开关电源的选型-同步整流
  开关电源内部包含mos管，适用于小电流的场景，一般小于5A，称为转换器。
  
  
  开关电源内部不包含mos管，根据电流的使用场景，选择外部的mos管，称为控制器。
  
  
  举例：输出电流3A
  所以可以采用转换器。
  

   

• 芯片选择（DC-DC）
  1.先从厂家入手（国产：微盟，芯龙，矽力杰，钰太。国外：TI，mps，adi等）
  2.选择电压范围
  3.输出电流
  4.静态电流-输出电流为0的时候需要消耗的功率，一般低功耗需要考虑。
  5.反馈电压
  6.开关频率
  7.同步或者异步，一般选择同步
  8.封装-选择好焊接的-是否好购买

• 外围电感和电容的选型
  1.电感选择-手册有详细说明

  
  
  饱和电流：电流增加，电感的感值将减小，当电感感值小于一定数值时，电感就失去作用，此时电流为饱和电流。
  
  
  所以电感的饱和电流最少要4.2A以上
  
  
  2.输入电容
  
  
  3.输出电容
  
  
  总结：
  
  
  详细说明：
  1.输入/输出电压(Input &Output Voltage)：Vin/Vout
  要按照器件的推荐工作电压范围选用，并且要考虑实际电压的波动范围，确保不能超出器件规格。

   

  
  2.输出电流(Output Current)：Iout
  器件持续的输出电流能力是一个重要的参数，选用时要参考此参数，并要保留一定的余量。
  此参数的选取还要评估电路的瞬间峰值电流和发热的情况，综合来确定，并满足降额要求。

  
  3.纹波(Output ripple)：Vpk-pk
  纹波是衡量电路的输出电压波动的重要参数。要关注轻载和重载纹波，一般轻载纹波要大。注意核电等场合下轻载纹波是否会超出要求。实际测试下各种场景负载下的情况。通常选用示波器20M带宽来测试。

  
  4.效率(Efficiency)：
  要同时关注轻载和重载两种情况。轻载会影响待机功率，重载影响温升。通常看12V输入，5V输出下10mA的效率，一般要80%以上。

  
  5.瞬态响应 (Transient response)：
  瞬态响应特性反应负载剧烈变化时系统是否能及时调整以保证输出电压的稳定。要求输出电压波动越小越好，一般按峰峰值10%以下要求。
  实际要注意按推荐值选用反馈电容。常见取值在22p到120pF。

  
  6.开关频率(Switching Frequency)：fsw
  常用的开关频率多数在500kHz以上。较高的开关频率1.2M到2M的也有，由于频率高开关损耗增加IC散热设计要好，故主要集中在5V低压输入小电流的产品。开关频率关系到电感电容的选用，其它如EMC，轻载下噪音等问题也与之有关。

  
  7.反馈参考电压及精度(Feedback Voltage &output accuracy)：Vref
  反馈电压要与内部的参考电压相比较，配合外部的反馈分压电阻，输出不同电压。不同产品的参考电压会有不同，如0.6~0.8V，替换时注意调整反馈电阻。反馈电阻要选用1%精度，只要根据厂家推荐来选，一般不要选的过大，以免影响稳定性。
  参考电压精度影响输出准确度，常见精度在2%以下，如1%~1.5%,精度高的产品成本会有差别。根据需要选择。

  
  8.线性稳定度和负载稳定度(line/load regulation)：
  线性稳定度反应输入电压变化输出电压稳定性。负载稳定度反应输出负载变化输出电压稳定性。一般要求1%，最大不要超3%。

9. EN电平：
   EN高低电平要满足器件规格要求，有些IC不能超出特定电压范围；电阻分压时注意满足及时关断，并且考虑电压波动最大范围内要满足。由于时序控制的需要，该引脚会增加电容，为了电平调节和关断放电，同时要有对地电阻。

   
   10.保护性能：
   要有过流保护OCP，过热保护OTP等，并且保护后条件消失能自恢复。

   
   11.其它：
   要求有软启动；热阻和封装；使用温度范围要能覆盖高低温等。

   外围器件选择的要求
   1.输入电容：要满足耐压和输入纹波的要求。一般耐压要求1.5~2倍以上输入电压。注意瓷片电容的实际容量会随直流电压的偏置影响而减少。

   
   
   2.输出电容：要满足耐压和输出纹波的要求。一般耐压要求1.5~2倍 。

    

   
   纹波和电容的关系： BST电容:按照规格书推荐值。一般0.1uF-1uF。耐压一般要高于输入电压。

   
   3.电感：不同输出电压的要求感量不同；注意温升和饱和电流要满足余量要求，一般最大电流的1.2倍以上（或者电感的饱和电流必须大于最大输出电流＋0.5*电感纹波电流）。通常选择合适的电感值L，使ΔIL占输出电流的30% to 50%。计算公式：

   
   
   4 VCC电容：按规格书 要求取值，不能减小，也不要太大，注意耐压。

    

   
   5.反馈电容：按规格书 要求取值，不同厂家芯片取值不同，输出电压不同也会有不同的要求。

   
   6.反馈电阻和EN分压电阻：要求按规格书取值，精度1%。

   
   PCB设计要求
   1.输入电容就近放在芯片的输入Vin和功率的PGND，减少寄生电感的存在，因为输入电流不连续，寄生电感引起的噪声对芯片的耐压以及逻辑单元造成不良影响 。电容地端增加过孔，减少阻抗。

   
   2.功率回路尽可能的短粗，保持较小的环路面积，较少噪声辐射。SW是噪声源，保证电流的同时保持尽量小的面积，远离敏感的易受干扰的位置。如，电感靠近SW引脚，远离反馈线。输出电容靠近电感，地端增加地过孔。

   
   3.VCC电容应就近放置在芯片的VCC管脚和芯片的信号地之间，尽量在一层，不要有过孔。

   
   4.FB是芯片最敏感，最容易受干扰的部分，是引起系统不稳定的最常见原因 。
   1)FB电阻连接到FB管脚竟可能短，靠近IC放置，减少噪声的耦合；FB下分压电阻通常接信号地AGND；
   2)远离噪声源，SW点，电感，二极管（非同步buck）；FB走线包地；
   3)大电流负载的FB在负载远端取，反馈电容走线要就近取。

   
   5.BST的电容走线尽量短，不要太细。

   
   6.芯片散热要按设计要求，尽量在底下增加过孔散热。

 

 

 

-- END --

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maychang

这个电流波形是错误的！

maychang

okhxyyo 发表于 2024-12-18 09:52 正确的应该是什么样子的呢？maychang老师能帮忙找到正确的图吗？我给替换上去，不懂啊o(╥﹏╥)o

【正确的应该是什么样子的呢？】

不必重画替换了。只要说明一下即可。

想一想，上图中绿色箭头所指水平段是哪里来的？该图左边纵轴标注有 “I” 字样，横轴标注有 “T” 字样，是电流波形。那么水平段表示某一非零数值电流，而且在这段时间内电流大小不变。这显然是不可能的。

maychang

okhxyyo 发表于 2024-12-18 09:52 正确的应该是什么样子的呢？maychang老师能帮忙找到正确的图吗？我给替换上去，不懂啊o(╥﹏╥)o

首帖原文说 “当开关闭合的时候，电容的两端也因为电压瞬间增大到12V，导致芯片的输出电流瞬间变成无穷大，也就是尖峰电流”。波形图中也画出了尖峰。这句话有些问题。无穷大电流物理上不存在，所以电容两端电压也不可能增大到12V。实际上，12V电源总有一定内阻，功率开关管也总有一定内阻，虽然很小。所以，电流尖峰上升沿近似RC电路的上升曲线（说近似，是因为内阻不是恒定的常数），确实是很窄的脉冲。随即功率开关管关断，电容向负载放电，两端电压降低，这和RC电路的下降曲线也是相似的。但无论电容两端电压上升过程还是下降过程，都是光滑连续曲线，不可能出现水平的电流不变的部分。

振动试验仪器

很好的入门知识了。

开关电源能成为一个产品的关键一是能高频开关且是大功率的MOSFET管，二是储能元件电感和电容的加入。

 

okhxyyo

maychang 发表于 2024-12-17 17:50 这个电流波形是错误的！

正确的应该是什么样子的呢？maychang老师能帮忙找到正确的图吗？我给替换上去，不懂啊o(╥﹏╥)o

okhxyyo

maychang 发表于 2024-12-18 10:57 【正确的应该是什么样子的呢？】 不必重画替换了。只要说明一下即可。 想一想，上图中绿色箭头 ...

置顶一下！

15151670732

非常好，浅显易懂，言简意清，占个座，随时好找。