联调高效低纹波直流稳压电源20140520

1、联调高效低纹波直流稳压电源联调高效低纹波直流稳压电源 联调高效低纹波直流稳压电源联调高效低纹波直流稳压电源 由框图可知，所要制作的有三部分。 制作的关键：联调、高效、低纹波。 线性稳压可以减小纹波，但DC/DC部分纹波越小，经过线性稳压后纹波会更小。DC/DC开关电源可调线性稳压电源负载控制系统直流输入VinVo1Vo指标分析 效率：要求50%；在Vo=5.0V，Io-0.5A时 串联线性稳压部分的效率：1*1*1IoVoIoVoPoPoIoIo11VoVo若线性稳压部分压差为2V，则效率=5/7=70%；可见，压差越小，效率越高若要求整机效率大于75%，则线性稳压部分必须效率高于75%！5/

2、0.75=6.66;压差1.66V，若压差=1.0V，则效率5/6=83.3%此时DC/DC部分效率0.75/0.83=0.903，需要90%以上的效率！线性稳压电源 并联型限流电阻调整管输出取样比较基准输出输入负载优点：输出电压精度高，输出不会超过设定电压而损坏负载。确点：效率太低，当负载电流很小时，调整管电流最大。该电路适用于负载电流较小的精密稳压。线性稳压电源 并联型线性稳压电源 串联型调整管输出取样比较基准输出输入输出经电阻分压后的电压要等于基准电压，若不相等，比较器输出会驱动调整管使输出变化，最总达到两者电压相等。这是个电压负反馈过程。串联型线性稳压电源图中，Vout=4*Vref若

3、Vouta点电压b点电压 Vout 形成负反馈，进而稳定输出电压T1TIP12232184U1ALM358R11.1KR23.3KR31KGNDGND24VC21000u/35VGNDC10.1u/60VGNDVOUTC30.1uC41000u/35VGNDGNDVINVREF+-Vdropab可通过调节Vref或者输出取样分压比调节输出电压可调串联型线性直流稳压1 通过D/A转换器产生05V电压加至比较器同相端，可调整输出为020V。 注意运放供电。T1TIP12232184U1ALM358R11.1KR23.3KR31KGNDGND24VC21000u/35VGNDC10.1u/60VGN

4、DVOUTC30.1uC41000u/35VGNDGNDVINVREF+-VdropabD/A05V020VMCU可调串联型线性直流稳压2如输出达到设定电压，a点必等于1.25V，IR1恒定为1.25mA。D/A输出0V时，R2电流等于1.25+1.25V/3.0k=1.67mA,Vout输出21.25VD/A输出5V时，R2电流等于1.25-(5-1.25)/3k=0mA， Vout输出1.25VT1TIP12232184U1ALM358R11KR212KR31KGNDGND24VC21000u/35VGNDC10.1u/60VGNDVOUTC30.1uC41000u/35VGNDGNDVI

5、N1.25V+-VdropabRadj3.0kD/A05VR1IU2LM385-1.25R?1k5VGNDC51041.25V可调串联型线性直流稳压2 使用数字电位器作为可变电阻进行分压。 DS1803为10k欧时，Vout=2.5VT1TIP12232184U1ALM358R31KGND24VC21000u/35VC10.1u/60VGNDVOUTC30.1uC41000u/35VGNDGNDVIN1.25VbU2LM385-2.5R?1k5VGNDC51041.25VGNDNC2A25A16A07GND8SCL9SDA10NC11NC15VCC16U?ADS1803HLWU3BDS1803

6、-010GNDR210kGNDR?R?5VSCLSDA其他结构可调线性直流稳压电源使用PNP管作为调整管的可调电源32184U1ALM358R11.1KR23.3KGNDGND24VC21000u/35VGNDC10.1u/60VGNDVOUTC30.1uC41000u/35VGNDGNDVINVREFaD/A05V020VMCUT1TIP127R310k其他结构可调线性直流稳压电源 不过，反馈环路越大（通过更多器件），反馈时延就越大，更容易产生输出振荡。32184U1ALM358R11.1KR23.3KGNDGND5VC21000u/35VGNDC10.1u/60VGNDVOUTC30.1u

7、C41000u/35VGNDGNDVINVREFaD/A05V020VMCUT1TIP127R310kT29013GNDC6104R610K其他结构可调线性直流稳压电源 使用NMOS管32184U1ALM358R11.1KR23.3KGNDGND24VC21000u/35VGNDC10.1u/60VGNDVOUTC30.1uC41000u/35VGNDGNDVINVREFaD/A05V020VMCUQ145N06C6104R610K图中加入R6、C6补偿网络（反馈网络）使比较器配置为交流放大模式（而不是比较器模式），有利于减小自激现象的发生。开关稳压电源 DC/DC转换三种基本拓扑： 降压型、

8、升压型、极性反转型（产生负电压） 电感的作用、电感饱和现象 电感电流波形 电感电流纹波率r 电感量的计算 如何使得输出电压可调DC/DC三种基本拓扑电路 BUCK电路：降压型，将高的输入变为低的输出电压新型号的DC/DC中越来越多使用NMOS管作为开关管。其开关频率高，驱动电流小，导通和截止特性更接近理想开关。Q145N06VINGNDPWMD1IN5822L1100uHCo470uFGNDVOUTVOUTD*VIND为PWM的占空比调整占空比可以调节输出电压DC/DC三种基本拓扑电路 Boost电路：升压型，将低的输入变为高的输出电压线性稳压电源无法实现升压和负压，为何这种电路可升压呢？这与

9、电感特性有关，后面详细讲解。Q145N06VINGNDPWMD1IN5822L1100uHCo470uFGNDVOUTVOUT VIN/(1-D）tonTD=tonTDC/DC三种基本拓扑电路 BUCK-BOOST升降压电路：（也称极性反转电路）将正的输入电压转换为负电压输出。Q145N06VINGNDPWMD1IN5822L1100uHCo470uFGNDVOUT负电压例如可以将+12V输入转换为-5V、-12V、-24V输出。VINDDVout1VOUT是电压绝对值认识电感 电感能通直流，阻交流 电感电流不能突变书上的知识电感的感抗（等效阻抗）：R=2fL适用于正弦信号激励的电路计算电感的

10、电流方程：dtdILV tLVI电感两端恒定电压时，电感电流以V/L斜率线性上升或下降电感的充电 假设电池内阻极小，开关按下后，电感两端电压等于电池电压，电感电流以12V/100uH的斜率线性上升。 若开关一直按着不放，将会怎样？电感烧毁？电感电流无限大？SL100uHBT112VGND12VIL按下+-ULtIL斜率:12V/100uHt1IL1电感的储能 电感器中流过电流就会储存能量，电感以磁场的形式储存能量。 电感储能为： 电感充电时，随着电流的增加，能量以电流平方倍的关系增加，但一个实体电感储能并不是无限大，能量主要存储在磁芯中（而不是线圈中），磁芯体积越大，存储的能量越多（与磁芯材质

11、也有一定关系） 一定体积的电感，当电流大到一定程度，其储存的能量也达到上限，电流再增加，其能量不再增加。这种现象称为电感饱和。 电感饱和后，其储能方程仍然有效，若电流线性增加，电感量会以指数倍减小！ 电感饱和后，其电感量减小，会产生严重的发热！ILLW221电感的充电 假设t1时刻电感饱和，其电感量减小，电流斜率增加。电感开始发热。 在实际使用中，应避免电感饱和。（或说磁芯饱和） 电感器除标称电感值之外，还有一个参数就是饱和电流Isat，应选择Isat比电路中实际电流大的电感器。 若电路中电感器有发热现象，则说明电感器有饱和现象发生，应更换一个感量相同但体积更大的电感。tIL斜率:12V/10

12、0uHt1IL1SL100uHBT112VGND12VILt0时刻按下+-UL电感的参数 如淘宝网上，正规厂家的电感器都标有电感量和电感电流两个参数电感的放电 也许下面电路容易理解一些：电阻R给了电感电流释放回路，电感电流方向仍然不变，但仔细分析，发现电感两端的电压方向发生了突变！原因是电感充电时是电池的负载，电流从高电位向低电位流动，而电感放电时候，电感作为电源，其电流是由低电位向高电位流动的！电感两端的电压值等于电阻上电压值，假如t1时刻，电感电流为1A，则电阻电流也为1A，电阻电压为1V，电感电压也为1V。此后电感电流因放电而逐渐减小，电感电压也逐渐减小。若电阻值为10欧、100欧、1K

13、欧又怎样？！阻值又如何？SL100uHB T 112VG N D12VILt1时 刻 释 放ULtIL斜 率 :12V/100uHt1IL10R1欧IR=IL+-UR+-总结：电感由充电到放电时，其电流不会突变，但电压极性瞬时改变，电压大小取决于与电感并联的等效电阻的大小。电感的放电 实际上，在电感无并联的负载时候，相当于负载阻值无穷大，电感电流为了能找到通路，会不断增加电感两端电压。直至击穿空气，使得能量得以释放！击穿空气时，等效负载阻值不是无穷大，由于电压很高，能量释放斜率极大。tIL斜率:12V/100uHt1IL1SL100uHBT112VGND12VILt1时刻释放UL+-击穿空气利

14、用电感升压开关导通时候，D1二极管反偏，电感电压左正右负（如图所示）。开关关闭时，电感电压左负右正，这时候电感右端电压为VIN+VL，产生高于输入的电压。使二极管正偏。因而能升压。图中电容值相对较大，在一个开关周期内电压变化很小，因此对电感来说，放电时也是恒压放电，电感电流线性下降。VINGNDD1IN5822L1100uHCo470uFGNDVOUTQ1Q1VINGNDD1IN5822L1100uHCo470uFGNDVOUTUL+-ILRLIORLIOUL+-IL电感电流波形三种拓扑电路，无论开关导通时还是截止时，电感两端电压都恒定（其实有微小变化，电容容量越大，电压变化越小），因此，电感

15、电流上升斜率为一常数，下降斜率也是一常数。也就是说，在开关周期性导通和关闭时，电感电流波形是一锯齿波（或三角波）。电路达到稳定后，电感电流纹波tItIIOffoffononACLUoffLUon2开关导通（电感充电）开关截止（电感放电）tontoffUonLUoffL开关导通（电感充电）开关截止（电感放电）tontoff电感峰值电流Ipk电感平均电流ILACIACII伏秒法则 电路达到稳定后（即输出电压稳定后）电感每个周期内充电能量等于释放能量，每个周期电感电流起始值都相等，充满电后的电流峰值也相等。由得tUtUOffoffonontItIIOffoffononACLUoffLUon定义：伏秒

16、积tUtUOffoffononEt则：LEtI 对于给定的输入输出电压，其Uon、ton为常数，即Et为常数，说明电感量大小与电流纹波成反比。电感量越大，电流纹波越小。单位：VuS 伏微秒电流纹波率 定义电流纹波率，则： 电感量计算公式开关导通（电感充电）开关截止（电感放电）tontoffUonLUoffL开关导通（电感充电）开关截止（电感放电）tontoff电感峰值电流Ipk电感平均电流ILACIACIIIIIDCACLIr2LEtrIILILrEtL电流纹波率是电感电流交流分量与直流分量的比值。电感电流三种导电模式 r越小，说明电流纹波相对也较小，则输出电压纹波相应也较小。 一般，电流纹波

17、率r取0.4左右为最佳。ILtIDCILtIDCILtIDC电感电流连续模式电感电流临界连续模式电感电流断续模式CCMBCMDCMr2见参考资料精通开关电源设计美Sanjaya Manikala著，王志强等译，人民邮电出版，2008年10月第1版开关电源的占空比 占空比D=ton/T=ton/(ton+toff) 由Et=Vonton=Vofftoff 得VVVoffonoffD（适用于所有拓扑）负载电流电感平均电流IL占空比DVoVo-VinVoVoffVinVinVin-VoVonBuck-boostboostbuckVinVoD VoVinVoDVoVinVoDDIIOL1DIIOL1I

18、IOL表1.三种变换器的传递函数电感量的计算 可用公式 或 计算ILrEtLfrDVonLIL其中，r取0.4计算电感量，实际取值可以大于等于计算值。f为工作频率，由驱动开关管的控制器决定。电感电流IL由负载电流IO决定。Von由输入电压和输出电压确定。降压型DC/DC电感计算实例 按本题要求，输入24V，输出5V，输出电流1A，若使用开关稳压芯片LM2596S-ADJ，其工作频率为150KHz，其原理图如下：计算电感值和电感峰值电流。降压型DC/DC电感计算实例 解： (1)对于buck变换器，应在输入电压最高时计算电感。 (2)占空比D=Vo/Vin=5/24=0.208 (3)周期T=1

19、/f=1/150KHz=6.67uS (4)导通时间ton=D*T=0.208*6.67=1.39uS (5)伏秒数Et=Von*ton=(Vin-Vo)*ton=(24-5)*1.39=26.36VuS (6)电感平均电流IL=IO=1A (7)L=Et/(r*IL)=26.36/(0.4*1)=65.9uH;取L=68uH (8)电感电流峰值：Ipk=(1+r/2)IL=1.2IL=1.2A 总之，需要68uH，饱和电流在1.2A以上的电感。升压型DC/DC电感计算实例 略极性反转型DC/DC电感计算实例 略数控可调降压型DC/DC变换器Buck电路跟串联型线性稳压电源类似，只是工作在开关

20、模式下。开关管输出取样误差放大基准输出输入锯齿波比较器PWM亦可通过改变基准电压、改变输出取样分压比；或者通过改变占空比实现输出电压的调节。由单片机调节的开关电源现在有许多单片机具有PWM输出端口，可利用AD转换端口测量输出电压，根据输出与设定的误差调整PWM占空比，可调节输出电压。这种方式成为软件闭环负反馈方法，要求单片机速度要足够快，否则由于运算延时过大，容易造成过调节，使输出产生振荡。可用于输入电压相对稳定，负载电流变化小或变化慢的场合，例如驱动LED照明灯等。Q1IRF9630T1901324VC20470uR204.7kR214.7kGNDR222kC21104PWMGNDD20IN

21、5822GNDL2068uHC20470uGNDR2310KR242KGNDTO_ADVo/6Vo1可调开关稳压器分压点电流注入方式通过给取样点注入直流电流，从而改变输出电压。这种方式仍属于硬件负反馈，对单片机和DA速度没有要求，稳压效果较好。缺点：不能从0V调起，只能从芯片Vref调起。但本题DCDC后还有一级线性稳压，因此，从1.23V起调没有问题。+VIN1VO2GND3FB4ON/OFF5U20LM2596-ADJ24VC20470uGNDD20IN5822GNDL2068uHC20470uGNDR2212KR211KGNDVo1GNDGNDR233kD/AC?CAP05V内部Vref

22、=1.23V输出稳定后4脚FB端=1.23V当DA输出5V时，使R23上电流恰好等于R21电流此时，R22电流为0，Vo=Vref，输出电压最低当DA输出0V时，R22上电流等于R21与R23电流之和选择R22合适阻值，使输出达到满量程最大电压外接基准和误差放大器方式 由于反馈环路中加了一级比较器，使得反馈时延增大，输出纹波会比分压点电流注入方式大。+VIN1VO2GND3FB4ON/OFF5U20LM2596-ADJ24VC20470uGNDD20IN5822GNDL2068uHC21470uGNDR223.3KR211.1KVo1GNDGNDR23100kD/AC2CAP05V内部Vref

23、=1.23V输出稳定后4脚FB端=1.23V32184U22ALMC6482GNDGND5VC3104abR233k轨至轨运放直流增益为开环增益无穷大，比较后电压要等于1.23V，a、b点电压应相等a点电压为输出VO1的1/4，则Vo1=4*Vda为何不用数字电位器分压取样？ 现有的绝大多数数字电位器VH端能承受的电压范围小，无法接受20V电压。 有些内部具有电阻网络的DA转换器可配置为数字电位器模式，例如DAC0832，Vref端接DC/DC输出端，可实现分压，且Vref端可接受最大25V电压，这种器件可以一试。DC/DC+线性稳压 输出端经R7、R8分压后至AD转换器，以检测输出电压。单片

24、机通过DA1和DA2分别同时控制线性调压和DC/DC调压。+VIN1VO2GND3FB4ON/OFF5U20LM2596-ADJ24VC20470uGNDD20IN5822GNDL2068uHC21470uGNDR2212KR211KVo1GNDGNDR233kD/A2C2210405VGND32184U1ALM358R11.1KR23.3KGNDGND24VC21000u/35VGNDC10.1u/60VGNDVOUTC30.1uGNDVREFaD/A105V020VQ145N06C6104R610KR710kR82kGNDC4104to AD自动调节线性稳压的压差+VIN1VO2GND3F

25、B4ON/OFF5U20LM2596-ADJ24VC20470uGNDD20IN5822GNDL2068uHC21470uGNDR2212KR211KVo1GNDGNDR231kC22104GND32184U1ALM358R11.1KR23.3KGNDGND24VC21000u/35VGNDC10.1u/60VGNDVOUTC30.1uGNDVREFaD/A105V020VQ145N06C6104R610KR710kR82kGNDC4104to AD567U1BLM358R31100kR32200kR33100kR34200kGNDR355kGND压差*2运放U1B构成差动放大器，7脚输出2倍

26、压差设R35=0欧，则U1B-7必等于1.23V若U1B-71.23V,则LM2596会减小占空比，降低Vo1，使压差减小此时线性调整管的压差位1.23V/2=0.615V设R35=5K欧，则U1B-7的1/6必等于1.23V,压差为1.23*6/2=3.69V进一步提升效率 本文以LM2596-ADJ为例讲解DC/DC控制器如何配置为数控可调电源的方法，其他芯片调整方法与此相同。 但LM2596资料介绍，在12V输入、5V输出时效率只有80%，24V输入，5V输出时效率仅82%左右，由此影响整机效率很难达到75%，如何才能进一步提升效率呢？ DC/DC的损耗主要在于开关管的内阻和续流二极管的压降！