开关电源设计的关键5步芯片破解
开关电源在今天的电子产品中几乎是必不可少的部分。其优点就是转换效率高、发热少,针对每一种应用可以有多种选择。开关稳压是通过脉宽调制(PWM)的方式解决热热扩散和效率的问题。在设计开关电源电路的时候需要考虑的因素有很多,价格不应该是唯一的因素。全面地了解到这些因素可以帮助你选择性价比最合适的元器件,在这里我们按照重要性列出了设计开关电源的时候关键的7步:
1.输出负载的需求:
芯片破解开关DC-DC的输出端需要实现的电压和常规电流显然是设计中非常重要的因素。元器件数据手册只是给出了部分的信息,你需要计算系统需要开关电源提供的最大输出功率,以保证你选用的器件能够提供安全的运行并有一定的余量。
同一个型号的器件经常会有不同的封装,每种封装的热性能是不同的,输出的能力也就不一样。不同的封装有不同的热阻,有的封装在处理热扩散方面比较有优势。选择封装的时候需要考虑产品空间的要求,同时也要考虑到可制造性、总体的气流以及电路板的布局。一般有限的空间或封装需要非常紧凑的设计,需要对在不影响产品其它部分的情况下如何散热进行认真的评估,即热量要被正确释放,才不会影响产品的其它部分,因为由于热量导致的温度梯度会带给超低噪声电路、高性能系统、光学电路一系列的性能问题。
比如-凌力尔特公司(现ADI)的LT1170,一个型号有几种不同的封装,从最通用的TO-220到DIP-8、8-SOIC、16-SOIC以及D2PAK-5表面贴装版本,SOIC-16提供最差的热性能。因此,选用LT1170时,这个器件能够提供的功率(与任何开关电源元器件一样)将取决于所选的封装、电路的配置、外围的元器件、电路板的布局以及散热的设计等等。
如果你选中了一个开关稳压器件,最好先弄一个该器件的评估板,事先评估一下其在特定应用时的性能。开关频率可能是一个问题,将这个器件同系统中的其它部分一同工作起来,这样就能够测出来是否需要额外的过滤、散热器,或其它器件。
2.输入端的考虑
芯片破解一些系统的供电电源的电压是确定的,但在其它情况下,电源输入级必须考虑到各种可能,例如不同的电池电压或波动的电源。这在汽车应用中尤其要注意-电源元器件可能必须承受冷启动和负载突降。
某些电源(如电池)可能会随着时间的推移而恶化。你的开关电源电路应能够应付这种恶化,以在各种系统条件下提供稳定的输出。因此在设计电源时了解输入范围和工作条件非常重要。
例如,隔离是一个很好的特性,但并不总是必要的。如果它是在前一阶段集成的,那么在同一系统中可能会有一个隔离的AC-DC转换器,因此在该电路中实现了隔离。或者,系统可以是基于电池的,并且不需要隔离。
隔离式开关电源是非常复杂和昂贵的,可以根据必要性进行选用。请注意,没有隔离的交流线电压可能会引发安全和监管问题。即使在直流供电系统的情况下,接地回路也会给设计带来巨大的麻烦,隔离是解决未知问题的好方法。
3.处理好发热和散热的问题
通常,标称的输出功率是在最佳温度条件下、提供给元器件最佳散热器的情况下获得的。但实际情况是,在目标应用中负载所需的功率下,温度可能会高于室温。如果您的产品进行了某些包装,那么空气的流动将受到限制。你需要根据需要制定适当的热策略和可能的散热。
如果要使用外部散热器,最好是跟结构设计团队来一起评估热量的流动。当然也可以用其它的方式帮助散热,例如直接在外壳或其他结构支撑中。一些散热器需要额外的工作,例如热化合物,绝缘体或螺钉支撑,而一些散热器设计的方便自动安装。可能的替代方案是使用该印刷电路板(PCB)来释放热量。

接下来,选用器件正确的封装。飞兆半导体ML6554降压稳压器采用16PSOP封装,可能被误认为是SOIC-16,但它下面有一个导热垫,用于元件释放热量到PCB(图1)。这就是元器件如何来处理散热的,如果未放置导热垫,元器件将因热问题而过早的关闭。另外请注意,基于层上的铜盎司(0.5,1,2等),平面的散热能力会有所不同,较薄的层需要更宽的面积才能达到相同的冷却效果。
还应考虑元器件的工作温度范围。比如电解电容在低温范围内受到限制,并且在极端温度下电容会发生显着变化。
4.确保使用的元器件的质量
元件的质量在开关稳压器性能中起着重要作用。除了元器件的值之外,其他参数必须是正确的。例如,相同电感值的电感器可能具有不同的饱和度。电感饱和是指器件的磁特性受到超过其能力的应力,并且器件不像所需的电感器那样工作。
芯片破解电容器的电容值也随温度和频率而变化,因此正确的类型和质量才能实现正确的工作。即使来自同一制造商的类似电容器也可能具有不同的特征和价格。United Chemi-Con公司拥有各种电解电容器,有些是KMG系列的通用型的;其他如MZA系列是低阻抗;MVH系列能够提供更高的纹波电流。其他供应商提供类似的品种,因此,只关注电容值和类型是不够的。
源阻抗非常重要。开关稳压器输入端的一些电感可以阻止开关电源产生的电流尖峰耦合到源极。但在某些情况下,它可能会在输入电压上产生一些振铃和尖峰。每个DC-DC转换器芯片都设计用于特定的元器件组合,具有从最小到最大的可接受值范围,因此必须仔细检查数据手册中的表格以确定任何潜在的限制。最好是通过xls表格进行所有的计算,计算的时候所有元器件的值都有一个从最小值到最大值的范围。
另一方面,选择不合适的元器件会危及产品的认证。开关电源往往有很多噪声,到一定程度可能会引起电磁干扰(EMI)。使用屏蔽的电感和高质量电容器可以最大限度地减少系统中的噪声。电容器的等效串联电阻(ESR)在电路稳定性和性能方面发挥着重要作用。某些配置可能需要特定的ESR,因此您并不总是需要低ESR。
尤其要注意输入和输出电容。
输入电容可降低转换器输入端的纹波电压幅度,从而将RMS纹波电流降至大容量电容可处理的水平。陶瓷电容具有降低纹波电压幅度所需的极低ESR。因此,将它们靠近开关转换器输入是很重要的。当转换器切换时,它必须从输入源汲取电流脉冲。额外的电解电容或钽电容有助于为负载提供足够的能量。
输出电容能够滤波并最大限度地降低输出端的纹波。它是电容器ESR的功能,同时也会影响稳压器环路的稳定性。优质电容器具有指定的ESR,通用的电解电容器仅指定120Hz时的ESR,但高频电容器在20 kHz至100 kHz的较高频率范围内其ESR都能够得到保证。如果工作温度降低,ESR将会增加,输出纹波电压将相应增加。在-40°C时,典型铝电解电容的ESR可能会增加40倍,因此要在低温应用中充分评估电解电容的使用。
芯片破解还应考虑输出电容可以处理的纹波电流。由于功率损耗,该电流会增加电容器内部的温度,因此忽略验证电容器的纹波电流可能会产生烟火后果。并联的电容器可用于满足ESR以及RMS电流处理的要求。
某些电源可能需要元器件认证。你要确保哪些部件需要测试以及如何测试,以便您的设计同你的目标标准能够做到一致。如果光耦合器用于隔离转换器,其设计应考虑随时间的光衰减,温度限制和共模的可能性。