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用开关稳压器制作DC-DC转换器
2023-09-06 318次

用开关稳压器制作DC-DC转换器,开关稳压器IC是一种从一定的直流电压中获得所需电压值的电源IC,用于控制开关式的DC-DC转换器。还有一种方法是通过使用了齐纳二极管或三端稳压器等器件的电路从高电压产生所需电压(降压),但如果需要几安培的大电流,就需要通过开关稳压器来降压了。

 

  比预期更易用的开关稳压器IC

  

 

使用的开关稳压器IC ROHM BD9E301。表面贴装型SOP8封装,但也可通过转换板在万用板上使用。

 

  开关稳压器的优点

  在电源电路中使用开关稳压器的好处是“效率高”。使用开关稳压器时需要一些外置器件才能使用。与三端稳压器不同,它仅凭IC和电容器是无法工作的,这部分因素可能会给人一种难以下手的印象。

  知道开关式稳压器工作原理的人,可能会因为“必须附上振荡器和线圈之类的器件才能用,对吧?”这种先入为主的偏见而不太喜欢开关稳压器。其实,由于最近的开关IC中内置了大部分功能,因此所需的外置元器件很少,电路设计已经越来越容易了,不需要花费太多的时间和精力。

虽然用来降低电压的降压电路方式有很多种,但使用开关稳压器的方式可以实现高达80%~95%的转换效率。其他还有使用三端稳压器的方式,但效率通常只有50%以下,功耗浪费严重,而且发热量非常大。需要将较大负载连接到降压电路时,可以通过使用开关稳压器来创建发热量少的节能型电路。

 

  创建DC-DC转换器电路

  使用一款从12V电源的输入可以输出5V/2A的DC-DC转换器。这个输出规格的话,可以驱动USB设备,因此,还可以让您的自制设备具备USB充电器功能。

  开关稳压器IC使用ROHM的BD9E301。该IC内置有FET,支持最大2.5A的输出,输入电压范围宽(7~36V),具有可通过外置电阻自由调整输出电压的功能。

  

 


  在开关稳压器的技术规格书中,除了基本规格外,还提供了电路设计示例和图案布局示例等内容,因此将参考技术规格书进行电路设计。

  

 


  将开关稳压器IC装在转换板上之后安装在万用板上的样子。

  由于BD9E301是表面贴装型IC,所以需要通过转换板安装在万用板上。使用转换板的话,可能会因散热量不足而导致故障,所以在使用转换板时要注意电流量和发热量。

  根据技术规格书中的应用电路,将电子器件焊接到电路板上。由于输出电压由R1和R2的分压电阻之比决定,因此将R1设置为12kΩ,将R2设置为3kΩ,其他部件使用与技术规格书中相同的元器件。

  由于开关电源是在高频下反复ON/OFF的电路,因此应尽可能将元器件安装在靠近IC的位置,以免布线距离变长。从某种意义上讲,开关稳压器的布局是需要格外用心的项目之一。由于技术规格书上也提供了基本的布局说明,所以将参考其中的元器件布置方案来创建电路。

  

 


  完成的DC-DC转换器的背面。在表面上安装了DIP器件,在焊接面上安装了线圈。要实际安装的元器件很少,只需要电阻器、几个电容器和1个线圈即可使用开关稳压器制作DC-DC转换器。

  当将12V电压施加到完成的电路时,输出了5V电压。由于输出电压是通过反馈来维持稳定的,因此即使外部电压波动,也能始终输出5V。这个开关稳压器IC可输出高达(电源电压 x 0.7V)的电压,因此理论上即使电压降至7.2V也能工作。

  

 


  已经创建了一个5V/2A的电源电路,现在,让将USB引脚连接到输出部分,以便为USB设备供电。

  


  如果您将USB引脚连接到自制的5V DC-DC转换器,也可以为USB设备充电。照片中正在为iPad充电。发热量出乎意料地小,可以稳定充电。

  按照这种方式,即使用开关IC,也能轻松制作出5V输出的电源电路。在制作电路时,作为附加功能增加USB充电功能可能会很有趣。

要想将开关电源做成产品推出,还会涉及到很多问题,比如PCB布局和是否符合EMI(电磁干扰)相关法规。在这里希望大家了解的是,使用开关稳压器IC可以轻松完成电路设计这部分。

 

  创建DC-DC转换器电路

  前面也提到过,最近的开关IC由于外置元器件少,电路设计材料也丰富,因此使用它们可以轻松地创建开关方式的降压电路。

  在实际的电源电路设计中,您是否为不知道该用开关稳压器好还是用三端稳压器好而烦恼过呢?

  开关稳压器的魅力在于其效率高,但在某些电路应用中,这项优势可能无法充分发挥出来。例如,在仅使用微控制器和几个LED的、电流仅几十mA的电路中,即使提高效率,也没有太大的实用价值。

  此外,开关式电源的效率会随着负载电流的减小而降低,相反地,三端稳压器的效率则较好,此时开关稳压器所需元器件数量多、噪声纹波大等缺点就显得比较突出了。在这种情况下,从整体成本上看,使用三端稳压器更具优势。

  总体而言,不要简单地认为“开关稳压器效率高所以更好!”而选择它,而是要从功耗和电路尺寸等各方面因素综合考虑来选择合适的方式,这一点很重要。

  _线性稳压器开关稳压器

  降压可可

  升压不可可

  升降压不可可

  反相不可可

  效率通常VO/VIN

  较低~95%左右

  通常较高

  输出功率通常为几W

  取决于散热设计支持大功率

  噪声小有开关噪声

  设计简单复杂

  元器件数量少多


  开关稳压器和线性稳压器的区别。两种稳压器各有利弊,所以要物善其用,根据具体情况区分选用。三端稳压器属于线性稳压器。

 

  总结

  当听到“开关稳压器”这个词时,首先让人想到的可能是“难以操作”,但实际用它试试看时,您会发现其实并不像想象中的那么麻烦,稍加努力就可以创建出高效的电源电路。

  如果您能够玩转开关稳压器,除了降压之外,还可以自由自在地操作电路的电压(比如升压、反相、升降压等),这会让您的电路设计范围更宽更广。

  开关电源设计中的真正难点在于决定元器件配置的图案布局,以及符合各国法规的EMI对策。其实如果只是试制级别的话,很容易就可以做出来。因此,在电子作品制作中,开关稳压器不失为一个不错的选择。

  这次使用的是表面贴装型开关稳压器IC,其实还有可直接用于万用板的DIP型IC和内置有线圈的开关稳压器等产品,因此,开关IC在电子制作中已经变得越来越方便使用了。此外,在最新的产品中,还包括输出电流高达7A~8A且内置FET的产品类型。

  对于正在用三端稳压器和大型散热器制作电源电路的人,或者正在通过连接DC-DC转换器模块制作小物件的人而言,挑战使用开关稳压器IC进行电路设计,不失为一个不错的尝试。

 

  • 漏极和源极之间产生的浪涌
  • 开关导通时,线路和电路板版图的电感之中会直接积蓄电能(电流能量)。当该能量与开关器件的寄生电容发生谐振时,就会在漏极和源极之间产生浪涌。下面将利用图1来说明发生浪涌时的振铃电流的路径。这是一个桥式结构,在High Side(以下简称HS)和Low Side(以下简称LS)之间连接了一个开关器件,该图是LS导通,电路中存在开关电流IMAIN的情形。通常,该IMAIN从VSW流入,通过线路电感LMAIN流动。
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  • PFC电路死区时间理想值考量
  • 由于该电路是进行同步整流工作的电路,所以我们通过仿真来探讨高边(HS)和低边(LS)SiC MOSFET SCT2450KE的死区时间理想值,即不直通的最短时间。死区时间可以通过仿真工具的PWM控制器参数TD1(HS)和TD2(LS)来分别设置。
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