yulzhu

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DC-DC 电源电路设计考虑1

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魏华平,朱玉龙 汽车电子设计

上周继续有工程师朋友投稿,这一位是魏华平,在深圳的一家汽车电子公司工作。我很高兴的看到,在我的怂恿下,他把他在设计开关电源的一些考虑整理出来。以下为Buck Boost设计的一些考虑,我略作整理和删减。注意,这是一篇定性的文章,主要是对电路设计中的参数进行考量,如果工程师需要做草案设计,我相信在Mathcad里面打个草稿,对各项参数进行计算,由于开关电源是具有一定的复杂性,真要做的话,原则上有几个过程:

1)草案设计,使用Matchad或者Excel将所有的参数进行罗列和计算,将所有的器件设计参数导入至输入级

2)仿真和最坏情况分析 用Mathcad可能太辛苦,推荐用Saber

3)实测常温下和各种输入状态下的情况

4)环境实验、EMC实验摸底

5)可靠性试验定性测试

你在前期付出越多测试,能够得到的经验也越多,欢迎各位工程师将自己的工作中的小结发给我,编辑之后我们可以得到更多的经验。以下是原文:


在电源设计中,首要的是确认电源的设计指标

  1. 电源参数

    1. 输出电压调整

    2. 电源调整率

    3. 负载调整率

    4. 综合调整率

    5. 输出纹波及杂讯

    6. 输入功率及效率

    7. 动态负载或暂态负载

    8. 电源良好/失效时间

    9. 起动及保持时间

  2. 保护功能

    1. 过电压保护

    2. 短路保护

    3. 电流保护

    4. 过功率保护

    5. 过热保护

器件选型
对于器件选型还需要可靠性知识和按照器件的降额标准,关键元器件IC 、L、C、D,R选择、评估与计算;
1)电源IC选型

最主要的三个参数是:输入电压、输出电压及最大输出电流。

  • 据产品的工作电流来选择

  • 较合适的是工作电流最大值为电源IC最大输出电流的70~90%。

  • 例如:最大输出电流为1A的升压式DC/DC变换器IC可用于工作电流700~900mA的场合,而工作于20~30mA时,其效率则较低。

  • 如果产品有轻负载或重负载时=>最好选择PFM/PWM自动转换升压式DC/DC变换器

    • 轻负载时采用PFM方式耗电较小

    • 正常负载时为PWM方式,而且效率也高

其他考虑注意点

  1. 电源IC的精度一般为±2%~±4%,精度高的可达±0.5%~±1%,要根据电路的要求选择合适的精度

  2. 电源IC的负载调整率,特别是DDR3和ARM/DSP的Core电压,工作时瞬态负载电流变化较大

  3. 选型时还应综合考虑电源IC的OCP,OVP、OTP及Standby电流等等,选用适合的封装尺寸(考虑安装和散热),以及合理价位等因素。

推荐:这里可以考虑使用一个选型表,将主要参数进行罗列,然后对比参数来选择合适的电源IC.

2)电感选型

这里需要考虑的参数主要有,电感量,DCR(频率高的还要考虑ACR),饱和电流Isat 有效电流Irms

  1. 电感量L:

    1. 导致DC-DC效率降低

    2. 相应的电感成本也会增加

    3. L越大,储能能力越强,纹波越小,所需的滤波电容也就小。

    4. L越大,通常要求电感尺寸也会变大,DCR增加

  2. 自谐频率f0:由于电感中存在寄生电容,使得电感存在一个自谐振频率。超过此f0是,电感表现为电容效应,低于此F0,电感才表现为电感效应(阻抗随频率增大而增加)

  3. 内阻DCR:指电感的直流阻抗。该内阻造成I2R的能量损耗,一方面造成DC-DC降低效率,同时也是导致电感发热的主要原因

  4. 饱和电流Isat:通常指电感量下降30%时对应的DC电流值

  5. 有效电流Irms:通常指是电感表面温度上升到40度时的等效电流值

计算过程略这里推荐用计算工具来算

根据电感的精度,计算出有一定裕量的电感值例如:对于20%精度的电感,考虑到5%的设计裕量。则Dc-DC所需的电感为L=1.25*Lmin
确定我们所需的电感为比计算出的电感L稍大的标称电感
例如:有一手机使用Buck型DC-DC,其输入为电池Vinmax= =4.2V,开关频率Fsw=1.2MHZ输出电流Irate=500mA,输出电源Vout=1.2V,则其DC-DC所需的电感Lmin= [2*1.2*(1-1.2/4.2)]/(1.2*0.5)uH=2.85uH L=2.86uH*1.25=3.57uH. 距离3.57uH最近的一个标称电感为4.7uH,所以DC-DC外部电感选用4.7uH电感。
在给定的的标称电感下,考虑以下限制因素最终决定电感的选型。
1)电感自谐频率f0需10倍于开关频率Fsw以上
2)饱和电流Isat和有效电流Irms中较低的一个需是DC-DC额定电流输出Irate的1.3倍以上
3)DCR越低越好
4)叠层电感比绕线电感好(损耗小)
5)带屏蔽的电感比不带屏蔽的电感好。(改善EMI)另外,电感的成本和体积也是需要权衡的

3)电容选型:

设计考虑参数为:

  1. 电容值

  2. 容差

  3. 耐压

  4. ESR

  5. 使用温度

  6. 尺寸

  7. 材质

  8. 直流偏置效应

  9. 漏电流

商务考虑因素

  1. 价格

  2. 供货

注意:

  1. 开关电源输入输出禁止选用钽电容,因为存在大的di/dt

  2. 建议选用较低ESR和频率特性好的陶瓷电容MLCC或者贴片铝电解

3.1)输入电容计算:
虽然不及CL 对输出稳定性的影响大,但CIN 也是电容值越大、ESR 越小则输出稳定性越好,纹波也越小。大到某种程度,降低输出纹波的效果会变小,从防止对输入侧的电磁干扰的意义上说,电容值应从CL 的一半左右。虽然是一般不常进行确认的数据,但对降低EMI 是很重要的数据。CIN 不会因ESR太小而输出振荡,所以尽量使用低ESR 电容。
3.2)输出电容计算:
Cin=I load(Max)*D*(1-D)/Fs*(Delta_Vin-Iload(Max))*ESR.CIN
CL 越大则纹波越小,但过分大的话,电容器的形状也大,成本提高。CL 由所需的纹波大小而定。大致以10mV~40mV 的纹波大小为目标,升压时从表8 的电容值开始,降压时从表9 的电容值开始。但是不支持低ESR 电容器的DC/DC 有异常振荡的危险,以连续模式使用时要想采用低ESR 电容器的话,应预先检查负载瞬态响应,确认输出电压能否及时稳定(振荡大致在2 次以内即收敛)。

4)二极管选型(非同步DCDC)

IF正向电流要大,VF正向压降要小,反向回复时间快; 首选肖特基二极管,额定电流必须大于电路峰值电流选取。
SBD有关绝对最大额定值,根据与FET同样的理由,应选择相对于使用条件的1.5 倍~2 倍左右的产品。
SBD 的损失为正向热损失VF×IF 和反向漏电流IR 引起的热损失的合计值。

因此,选择VF、IR 都小的产品比较理想。但是,VF与IR 成反比关系,一般要视负载电流而选用。

VF 在重负载时大,考虑到IR与负载无关为一定的值,所以轻负载时选择IR 小的产品对提高效率的效果较好,重负载时选择VF小的产品效果较好。

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