电路设计与制作（含活页式实训工单） 课件 项目2 任务3 DC-DC电路设计

项目2供电电路设计

任务2DC-DC电源模块的使用任务描述隔离控制器中采用DC12V作为电源输入，其内部工作电压为5V和3.3V，并要求采用隔离电源抗干扰，任务中选择合适的DC-DC部件，完成隔离控制器供电部分设计。通过任务实施，读者可以掌握相关芯片手册、供电电路参数的认知，通过实践掌握嵌入式系统中供电电路的设计和调试。知识储备一、开关电源芯片技术规格电源芯片的技术规格解读非常重要。近年来一般的电源设计实质上是以电源芯片为中心进行的设计，不读电源芯片的技术规格就无法进行电源供电设计。1.技术规格的封面技术规格的封面除了其电源芯片的概述、特长、用途等之外，也记载了最初应知道的种种事项。记载的项目或顺序会因厂商而有些微差异，不过基本上所涵盖的项目大致相同。但是，从内容相关细节或最初应知道的项目等可以隐约看出厂商的姿态或特征。1.技术规格的封面因此，技术规格的封面是相当重要的一页。以下述技术规格的封面为例，首先从“标题”可以大致明白何种电源芯片；“概述”的说明则会稍微具体一些；“特长”则进一步分条列举，明示所搭载的功能或代表性规格；“重要特性”一项，列出电源芯片首先应该确认的规格，就算没有详细的规格值表也可以知道最低限度的必要基本项目值。部分芯片封面还包括了封装信息、安装空间等示意图，这些都能帮助读者确认是否要采用该芯片。此外，封面中所示用途和基本应用电路可以让读者确认是否适合应用于自己的电路设计。1.技术规格的封面在开始时认真阅读芯片规格书的封面，可以掌握很多必要信息，往后的问题就会少一些。隔离控制器的设计中所采用的电源芯片LM5007的芯片手册封面如图2-34所示。1.技术规格的封面图2-34LM5007技术规格封面1.技术规格的封面从技术规格的封面虽然可以快速掌握概述，不过还是有很多注意事项需要掌握。比如，记载的特性值没有明记是否为最大值或最小值等保证值、标准值（Typ）时，必须以规格值表确认。以封面所书写的值开始设计后，由于该项目只有标准值没有保证值也可能导致设计障碍，在设计中务必记得在规格值表或功能说明一项中确认规格细节。2.框图技术规格大多有刊载图标该芯片内部构造的框图。框图可以概略知道内部有何种功能模块、以何种流动输出等。此外，框图一般会伴随各功能模块的工作说明或引脚的功能说明。这些是了解工作的重要信息，图2-35是LM5007芯片的功能框图。图2-35LM5007内部框图2.框图表则是LM5007芯片的引脚功能表。3.绝对最大额定和推荐工作条件技术规格有时会显示绝对最大额定和推荐工作条件。表2-5是绝对最大额定的定义和推荐工作条件的参数表。表2-5绝对最大额定值3.绝对最大额定和推荐工作条件其中绝对最大额定的定义是即使一瞬间也不能超过的界限值，而且如果有规定两个项目以上规格值时，任何两个项目都不得同时到达的界限值。表2-5绝对最大额定值3.绝对最大额定和推荐工作条件规格书中的推荐工作条件是芯片建议的合适工作场景，LM5007芯片的推荐工作条件见表2-6。推荐工作范围为保证正常工作的规定，使用上必须确实遵守这种条件。表2-6推荐工作条件4.电气特性的要点技术规格中必定会有显示芯片特性及其保证值的规格值表。设计时虽然会参考标准值（type），但可惜的是所有条件都匹配标准值。因此，规格值表的值可以理解其数值为何种条件、是否为最小值或最大值等保证值。表2-7为规格值表的参考，在列出的条件下可以保证记载的值，但是条件只要稍微不同便无法保证。表2-7LM5007部分电气特性表4.电气特性的要点另外，应该思考芯片特性值和应用电路特性值的关系。必须理解的是，电源芯片的规格值并非为直接使用该芯片的特性值。例如，作为输出电压设定基准的FB引脚电压（有些厂商称为参考电压）基本上有规定并保证最大值和最小值，见表2-8。表2-8LM5007FB引脚参数4.电气特性的要点表2-8中所列的信息，是决定输出电压的重要特性值。近年来开关电源用芯片虽然FB引脚电压大多具有±1%的高精度，但是在连接分压电阻后设定输出电压时输出精度无法保证±1%。简而言之，使用电阻值和FB引脚电压公称值所计算的输出电压，只要有电阻和FB引脚电压的容许差，除非偶然否则绝对不会如计算值所示。4.电气特性的要点因此，规格值是电源芯片的特性值，架构电路时会有所呈现，但必须知道的是并非可以原封不动获得该值或特性。5.特性图表、波形的看图方法技术规格除了规格值表外，也有刊载特性图。原因在于规格值表的数值是指定条件中某一点值，且因无法得知幅度或倾向、对多个条件的变化等连续特性而加以补充。此外，规格值方面，图表可以显示未规定的特性或电路的特性。这里要提及的不只是规格值表的数值，也提醒务必在检查图表并了解倾向或连续特性后再进行设计。图表可以说是设计不可或缺的。5.特性图表、波形的看图方法图2-36表示效率和输出电流的关系。此图表在开关稳压器芯片的技术规格中经常可以看见。电源芯片规格值表一般都没有效率项目，更别说是罗列最大/最小值，就连标准值也没有显示。也就是说，效率是并未被保证的特性。但在规格书中类似图2-36中可以获得参考信息。图2-36转换效率5.特性图表、波形的看图方法由图2-36可以想象本身电路负载电流可得到的效率，效率曲线也是选择电源芯片时的重要检查点。图2-36转换效率5.特性图表、波形的看图方法技术规格除了图表外，有时也显示工作时的波形等。其主旨基本上与图表相同，目的在于提示规格值表中难以提示的特性。如图2-37所示。图2-37开关波形5.特性图表、波形的看图方法图2-37表示的是示波器画面所显示的波形。纵向为电压而横向为时间轴。所表示的是开关节点的ON/OFF波形和输出呈现的纹波电压。从输出电压波形可以读取纹波电压。仔细看的话，可以读取到如果开关波形H时纹波会上升，L时则下降。此外，也可知道纹波频率基本上也与开关频率相同，也即同步。可以在设计电路中和相同节点的波形做比较，以用作电路设计优化的目标。6.应用电路实例电源芯片的技术规格基本上都有刊载其芯片的应用电路实例。没有刊载时，应该会另外以应用备忘录等名称备有应用电路实例的补充数据。目的在于希望通过显示其芯片的使用标准电路实例，让大家可以利用作为设计的出发点。所刊载的应用电路实例大多已架构实际电路并确认工作，有时芯片厂商还同时备有其电路的评估板。开关稳压器芯片所使用的电路构造，一般只要变更外置部件的常量即可符合要求规格。如果需要进一步的调整时，如能利用基本应用电路例或评估板一面修改一面进行评估，则可以极大缩短设计和评估时间。6.应用电路实例图2-38的电路图是开关稳压器芯片LM5007的技术规格书中的实例。图2-38LM5007典型电路6.应用电路实例此外，视技术规格而定，有时会以代表性输出电压为主提供各外置部件的常量或型号。针对LM5007的应用电路例基本上可以依照从图中部件参数来进行设计。表2-9是图2-38对应的设计参数：表2-9LM5007典型电路设计参数6.应用电路实例除了电路例之外，有些厂商芯片有时还会包含输出电压等根据设定值的部件常量一览信息。但不可能所有应用需求都被这些表所包含，因此，技术规格会刊载芯片功能或设定使用的方法、必要外置部件的选定方法、常量决定的计算公式等。6.应用电路实例如技术规格中关于输出电压的说明，如果想要调整实例电路中的输出电压，就需要用到规格书中计算公式（2-3）。6.应用电路实例有时规格书中还会对设计所涉及的功能工作方式进行详细说明，而后再给出计算公式并加以说明，这对设计来说是非常重要的。想要让工作或特性优化的话，不事先理解这些内容，就无法进行合理的设计或调整。7.电路板布局有时依照技术规格所载的电路图、部件编组，电路卻无法工作。在没有简单连线错误等前提下，此种问题大多起因于电路板布局。现在开关电源设计已相当普及，电路板布局在开关电源设计中极为重要。不过，如果制作印刷电路板时布线结构不适当，就会产生大峰波，有些情况下会有甚至会损坏芯片。为了不发生这种麻烦，技术规格或应用手册会给出电路板布局实例。因大多为双面基板，所以一般是双面布局的范例，有时更进一步直接提供制作电路板可使用的电子文件（光绘文件等）。7.电路板布局为了发挥开关电源所期待的性能和特性，需要适当的电路板布局。在实际设计电路板布局时可以参考如图2-39所示的技术规格的相关信息页。二、线性稳压器技术规格上文以LM5007为例介绍了开关电源芯片的规格书资料，隔离控制器中利用LM5007完成DC12V到DC5V的电压转换，但还需要利用LDO芯片完成DC5V到DC3.3V的电压转换，这里采用1117系列的线性稳压芯片完成，该系列芯片有很多厂家生产，其产品规格细节上有所不同，但大体功能都差不多，这里以EZ1117为例给出线性稳压器技术规格的介绍。1.规格书封面

EZ1117是一种高效线性稳压器，后置稳压器，其规格书封面如图2-40所示，给出了简介和特性，同时也给出了这一系列稳压器的多种规格和可能的输出电压。2.框图EZ1117的功能框图如图2-41所示，从中可看出稳压器的引脚功能。3.电气特性其电气特性在规格书中有详细列表，如表2-10所示。4.典型电路规格书中列有EZ1117的典型应用电路，能帮助用户更方便地设计供电电路，如输出3.3V的实例电路如图2-42所示。4.典型电路在需要的时候，选择输出电压可调规格的EZ1117，在设置好配置电阻后可获得需要的输出电压，如图2-43所示。5.规格封装EZ1117有两种规格封装，在规格书中有封装的名称和相应的机械尺寸，在实际设计基板时需要参考这部分资料,封装规格如图2-44所示，（a）为SOT-223贴片封装，（b）为TO-263贴片封装。

图2-44EZ1117规格封装（a）SOT-223（b）TO-263课堂思考隔离控制器工作时输入电压先转换成5V，再转换成3.3V，能否直接转换为3.3V工作？

三、隔离DC-DC电源模块隔离DC-DC电源模块是指隔离电源是使用变压器将各种不同电压（如：220VAC，48VDC，24VDC，12VDC等）通过变压器将电压降到所需要的电压，然后作为负载供电使用。非隔离电源模块是将各种不同电压（如：220VAC，48VDC，24VDC，12VDC等）直接引入到电子电路，再通过电子元件进行升降压输出，输入输出是通过电子元件直接连接的，中间并没有经过变压器等带隔离性的器件，所以称非隔离电源模块。

1.安全性作为一个让最终用户能安全使用的产品，工程师在设计电源方案时一般都会考虑系统的绝缘以及隔离的可靠性。相比之下，DC-DC隔离电源模块相比非隔离电源模块安全性更高一些。

2.效率非隔离电源模块由于少了变压的磁电转换所损失的能量，所以效率一般较高，行业中大多电源厂家的非隔离电源模块的效率都能达到91%以上。相比之下，DC-DC隔离电源模块一般效率都在88%以下，所以DC-DC隔离电源模块发热相对来说会比非隔离电源模块的大。

3.成本与体积非隔离电源模块由于不需要采用变压器进行输入输出之间的电气隔离，所以相比DC-DC隔离电源模块，同样的输出功率，同样的输出性能（如输出精度，负载效应，动态响应等），非隔离电源模块所需要的体积更小，成本更低，设计难度更小。如果说设计上可以考虑输入输出之间不隔离，相比DC-DC隔离电源模块，采用非隔离电源模块来进行设计那可以说是工程师的首选。

4.带载范围DC-DC隔离电源模块的输出带载范围小于非隔离电源模块带载范围。一般来讲DC-DC隔离电源模块的输出带载范围为30-42V，非隔离电源模块带载范围可以为30-84V。

5.规格书封面以MAU200系列的隔离电源模块为例，其规格书如图2-45所示。图中可以看到隔离DC-DC器件的外观，但需要说明的是随着器件规格的不同，以及生产厂家的不同，其外观封装也会有差异，在使用时需要以具体器件型号的规格书为参考。图中也罗列了同厂家同系列产品的型号和参数，其数量很多，用户需要依据自己的需要选择相应产品。

6.电气参数隔离电源的规格书中会提供基本的电气参数，见表2-11。表2-11给出规格书中部分电气参数，从中可以看出这种型号的DC-DC隔离模块可以做到60秒耐压3000V。在图中没有截取的部分还包括输入输出相关的电气参数，在做产品设计时需要仔细参考其数值。

表2-11部分电气参数7.机械封装DC-DC隔离模块的机械封装不同于普通芯片，其体积较大，在设计电路时需要仔细参考其规格