常用DC-DC電源電路設計方案知識詳解

DC/DC電源簡單理解為進行輸入輸出電壓轉換的電路。常見的DC/DC電源主要分為車載、通訊、工業和消費電子等，前者的使用電壓一般為48V、36V、24V等，后者的使用電壓一般在24V以下。不同應用領域的使用電壓都會有所不同，如PC中常用的是12V、5V、3.3V，模擬電路常用5V、15V，數字電路常用3.3V等，現在的FPGA、DSP還用2V以下的電壓，諸如1.8V、1.5V、1.2V等。

DC/DC電源在通信系統中也稱二次電源，它是由一次電源或直流電池組提供一個直流輸入電壓，經DC/DC變換后，在輸出端可獲得一個或多個直流電壓。DC/DC轉換電路主要分為穩壓管穩壓電路、線性（模擬）穩壓電路和開關型穩壓電路三類，下面來談談這三類的常用設計方案。

（一）在眾多DC/DC轉換電路方案中，最簡單的是穩壓管電路設計方案。穩壓管穩壓電路結構簡單，但是帶負載能力差，輸出功率小，一般只為芯片提供基準電壓，不做電源使用。比較常用的是并聯型穩壓電路，電路簡圖如下圖所示：

選擇穩壓管時一般可按下述式子估算：

1、Uz=Vout

2、Izmax=(1.5-3)ILmax

3、Vin=(2-3)Vout

這種電路結構簡單，可以抑制輸入電壓的擾動，但由于受到穩壓管最大工作電流限制，同時輸出電壓又不能任意調節，因此該電路適應于輸出電壓不需調節，負載電流小，要求不高的場合，常用作對供電電壓要求不高的芯片供電。

（二）基準電壓源芯片穩壓電路是穩壓電路的另一種形式，有些芯片對供電電壓要求比較高，例如AD DA芯片的基準電壓等，這時常用的一些電壓基準芯片如TL431、MC1403、REF02等。TL431是最常用基準源芯片，有良好的熱穩定性能的三端可調分流基準電壓源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設置到從Vref（2.5V）到36V范圍之間。常用電路應用如下圖所示：

此時Vo=（1+R1/R2）Vref，選擇不同的R1和R2的值可以得到從2.5V到36V范圍內的任意電壓輸出，特別地，當R1=R2時，Vo=5V。其他的幾個基準電壓源芯片電路類似。

（三）串聯型穩壓電路屬于直流穩壓電源中的一種，其實是在三端穩壓器出現之前比較常用的直流供電方法，在三端穩壓器出現之前，串聯穩壓器通常由OP放大器和穩壓二極管構成誤差檢測電路，如下圖所示：

在電路中OP放大器的反向輸入端子與輸出電壓的檢測信號相連，正向輸入端子與基準電壓Vref相連，Vs=Vout*R2/（R1+R2）。由于放大信號ΔVs為負值，控制晶體管的基極電壓下降，因此輸出電壓減小在正常情況下，必有Vref=Vs=Vout*R2/（R1+R2），調整R1、R2之比可設定所需要的輸出電壓值。這也是三端穩壓器的基本原理，其實負載大小可以把三極管換成達林頓管等等，這種串聯型穩壓電路組成的直流穩壓電源處理不當，極易產生振蕩。現在沒有一定模擬功底的工程師，一般都不用該方式，而是直接采用集成的三端穩壓電路，作為DC/DC轉換電路使用。

（四）線性（模擬）集成穩壓電路常用設計方案主要以三端集成穩壓器為主。三端穩壓器主要有兩種：一種輸出電壓是固定的，稱為固定輸出三端穩壓器。三端穩壓器的通用產品有78系列（正電源）和79系列（負電源），輸出電壓由具體型號中的后面兩個數字代表，有5V、6V、8V、9V、12V、15V、18V、24V等。輸出電流以78或79后面加字母來區分，L表示0.1A，M表示0.5A，無字母表示1.5A，如78L05表示5V/ 0.1A。

另一種輸出電壓是可調的線性穩壓電路，稱為可調輸出三端穩壓器，這類芯片代表是LM317（正輸出）和LM337（負輸出）系列。最大輸入輸出極限差值在40V，輸出電壓為1.2V-35V（-1.2V--35V）連續可調，輸出電流為0.5-1.5A，輸出端與調整端之間電壓在1.25V，調整端靜態電流為50uA。其基本原理相同，均采用串聯型穩壓電路。在線性集成穩壓器中，由于三端穩壓器只有三個引出端子，具有外接元件少、使用方便、性能穩定、價格低廉等優點而得到廣泛應用。

（五）上面所述的幾種DC/DC轉換電路都屬于串聯反饋式穩壓電路，在這種工作模式中集成穩壓器中調整管工作在線性放大狀態，因此當負載電流大時，損耗比較大，即轉換效率不高。所以使用集成穩壓器的電源電路功率都不會很大，一般只有2-3W，這種設計方案僅適合于小功率電源電路。

DC/DC轉換開關型穩壓電路設計方案，采用了開關電源芯片設計的DCDC轉換電路，轉化效率高，適用于較大功率電源電路。目前得到了廣泛應用，分為非隔離式開關電源和隔離式開關電源兩種。開關電源基本的拓撲包括降壓型、升壓型、升降壓型及反激式、正激式、橋式變化等等。

（六）非隔離式DC/DC開關轉換集成電路芯片電路設計方案，這類芯片的使用方法與LM317非常相似。這里用L4960舉例說明，一般是先使用50Hz電源變壓器進行AC-AC變換，將220V降至開關電源集成轉換芯片輸入電壓范圍，比如1.2～34V。然后由L4960進行DC-DC變換，這時輸出電壓的變化范圍下可調至5V，上調至40V，最大輸出電流可達2.5A（還可以接大功率開關管進行擴流），并且內設完善的保護功能，如過流保護、過熱保護等。

盡管L4960的使用方法與LM317差不多，但開關電源的L4960與線性電源的LM317相比，效率不同。L4960最大可輸出100W的功率（Pmax=40V*2.5A=100W），但本身最多只消耗7W，所以散熱器很小，制作容易。與L4960類似的還有L296，其基本參數與L4960相同，只是最大輸出電流可高達4A，且具有更多的保護功能，封裝形式也不一樣。這樣的芯片比較多，比如，LM2576、TPS54350、LTC3770等等。一般在使用這些芯片時，廠家都會有詳細的使用說明和典型電路供參考設計。

（七）隔離的DC/DC開關電源模塊電路設計方案。常用的單端反激式DC/DC變換電路，這類隔離的控制芯片型號也不少，控制芯片典型代表是常用的UC3842系列。這種是高性能固定頻率電流的控制器，主要用于隔離AC/DC開關電源模塊、DC/DC開關電源模塊。主要應用原理是：電路由主電路、控制電路、啟動電路和反饋電路4部分組成。主電路采用單端反激式拓撲，它是升降壓斬波電路演變后加隔離變壓器構成的，該電路具有結構簡單、效率高、輸入電壓范圍寬等優點。

控制電路是整個開關電源的核心，控制的好壞直接決定了電源整體性能。這個電路采用峰值電流型雙環控制，即在電壓閉環控制系統中加入峰值電流反饋控制。這類方案選擇合適的變壓器及mos管可以把功率做的很大，與前面幾種設計方案相比，其電路結構復雜，元器件參數確定困難，開發成本較高。因此，需要此方案時可以優先選擇市面上比較廉價的DC/DC隔離開關電源模塊。

（八）DC/DC開關集成模塊電源方案，很多微處理器和數字信號處理器（DSP）都需要內核電源和一個輸入/輸出（I/O）電源，這些電源在啟動時必須排序。設計師們必須考慮在加電和斷電操作時內核和I/O電壓源的相對電壓和時序，以符合制造商規定的性能規格。如果沒有正確的電源排序，有可能會出現閉鎖或過高的電流消耗，導致微處理器I /O端口或存儲器、可編程邏輯器件(PLD)、現場可編程門陣列（FPGA）或數據轉換器等支持器件的I/O端口損壞。為了確保內核電壓正確偏置之前不驅動I/O負載，內核電源和I/O電源跟蹤是必需的。

現在有專門的模塊電源公司可量身定做一些專用的模塊電源，主要是對一些常規電性能指標、體積小、功率密度高、轉換效率高、發熱少、平均無故障工作時間長、可靠性好、更低成本、更高性能的DC/DC模塊電源。這些模塊電源可實現即插即用（plug-and-play），解決方案所需的大部分或全部組件，可以取代多達40個不同的組件。這樣就簡化了集成并加速了設計，同時減少電源管理部分的占板空間。

DC/DC電源為轉變輸入電壓后有效輸出固定電壓的電源，標準電路選定的元件大多是在標準使用條件下能發揮一般特性的元件，因此，并不是說在各種使用條件下都是最佳的元件選定。所以在各個設計中，必須根據各自的要求規格（如效率、成本、貼裝空間等）從標準電路進行設計變更。但要能設計出符合要求規格的電路，需要足夠的知識和經驗積累。

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