聯(lián)調(diào)高效低紋波直流穩(wěn)壓電源20140520

聯(lián)調(diào)高效低紋波直流穩(wěn)壓電源

聯(lián)調(diào)高效低紋波直流穩(wěn)壓電源

由框圖可知，所要制作的有三部分。制作的關(guān)鍵：聯(lián)調(diào)、高效、低紋波。線性穩(wěn)壓可以減小紋波，但DC/DC部分紋波越小，經(jīng)過線性穩(wěn)壓后紋波會(huì)更小。DC/DC開關(guān)電源可調(diào)線性穩(wěn)壓電源負(fù)載控制系統(tǒng)直流輸入VinVo1Vo指標(biāo)分析效率：要求＞50%；在Vo=5.0V，Io-0.5A時(shí)串聯(lián)線性穩(wěn)壓部分的效率：∵Io≈Io1若線性穩(wěn)壓部分壓差為2V，則效率η=5/7=70%；可見，壓差越小，效率越高若要求整機(jī)效率大于75%，則線性穩(wěn)壓部分必須效率高于75%！5/0.75=6.66;壓差1.66V，若壓差=1.0V，則效率≈5/6=83.3%此時(shí)DC/DC部分效率0.75/0.83=0.903，需要90%以上的效率！線性穩(wěn)壓電源并聯(lián)型限流電阻調(diào)整管輸出取樣比較基準(zhǔn)輸出輸入負(fù)載優(yōu)點(diǎn)：輸出電壓精度高，輸出不會(huì)超過設(shè)定電壓而損壞負(fù)載。確點(diǎn)：效率太低，當(dāng)負(fù)載電流很小時(shí)，調(diào)整管電流最大。該電路適用于負(fù)載電流較小的精密穩(wěn)壓。線性穩(wěn)壓電源并聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源串聯(lián)型調(diào)整管輸出取樣比較基準(zhǔn)輸出輸入輸出經(jīng)電阻分壓后的電壓要等于基準(zhǔn)電壓，若不相等，比較器輸出會(huì)驅(qū)動(dòng)調(diào)整管使輸出變化，最總達(dá)到兩者電壓相等。這是個(gè)電壓負(fù)反饋過程。串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源圖中，Vout=4*Vref若Vout↑→a點(diǎn)電壓↑→b點(diǎn)電壓↓→Vout↓形成負(fù)反饋，進(jìn)而穩(wěn)定輸出電壓可通過調(diào)節(jié)Vref或者輸出取樣分壓比調(diào)節(jié)輸出電壓可調(diào)串聯(lián)型線性直流穩(wěn)壓1通過D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生0~5V電壓加至比較器同相端，可調(diào)整輸出為0~20V。注意運(yùn)放供電?？烧{(diào)串聯(lián)型線性直流穩(wěn)壓2如輸出達(dá)到設(shè)定電壓，a點(diǎn)必等于1.25V，IR1恒定為1.25mA。D/A輸出0V時(shí)，R2電流等于1.25+1.25V/3.0k=1.67mA,Vout輸出21.25VD/A輸出5V時(shí)，R2電流等于1.25-(5-1.25)/3k=0mA，Vout輸出1.25V可調(diào)串聯(lián)型線性直流穩(wěn)壓2使用數(shù)字電位器作為可變電阻進(jìn)行分壓。DS1803為10k歐時(shí)，Vout=2.5V其他結(jié)構(gòu)可調(diào)線性直流穩(wěn)壓電源使用PNP管作為調(diào)整管的可調(diào)電源其他結(jié)構(gòu)可調(diào)線性直流穩(wěn)壓電源不過，反饋環(huán)路越大（通過更多器件），反饋時(shí)延就越大，更容易產(chǎn)生輸出振蕩。其他結(jié)構(gòu)可調(diào)線性直流穩(wěn)壓電源使用NMOS管圖中加入R6、C6補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)（反饋網(wǎng)絡(luò)）使比較器配置為交流放大模式（而不是比較器模式），有利于減小自激現(xiàn)象的發(fā)生。開關(guān)穩(wěn)壓電源DC/DC轉(zhuǎn)換三種基本拓?fù)洌航祲盒汀⑸龎盒?、極性反轉(zhuǎn)型（產(chǎn)生負(fù)電壓）電感的作用、電感飽和現(xiàn)象電感電流波形電感電流紋波率r電感量的計(jì)算如何使得輸出電壓可調(diào)DC/DC三種基本拓?fù)潆娐稡UCK電路：降壓型，將高的輸入變?yōu)榈偷妮敵鲭妷盒滦吞?hào)的DC/DC中越來越多使用NMOS管作為開關(guān)管。其開關(guān)頻率高，驅(qū)動(dòng)電流小，導(dǎo)通和截止特性更接近理想開關(guān)。VOUT≈D*VIND為PWM的占空比調(diào)整占空比可以調(diào)節(jié)輸出電壓DC/DC三種基本拓?fù)潆娐稡oost電路：升壓型，將低的輸入變?yōu)楦叩妮敵鲭妷壕€性穩(wěn)壓電源無法實(shí)現(xiàn)升壓和負(fù)壓，為何這種電路可升壓呢？這與電感特性有關(guān)，后面詳細(xì)講解。VOUT≈VIN/(1-D）D=ton÷TDC/DC三種基本拓?fù)潆娐稡UCK-BOOST升降壓電路：（也稱極性反轉(zhuǎn)電路）將正的輸入電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓輸出。例如可以將+12V輸入轉(zhuǎn)換為-5V、-12V、-24V輸出。VOUT是電壓絕對(duì)值認(rèn)識(shí)電感電感能通直流，阻交流電感電流不能突變書上的知識(shí)電感的感抗（等效阻抗）：R=2πfL適用于正弦信號(hào)激勵(lì)的電路計(jì)算電感的電流方程：電感兩端恒定電壓時(shí)，電感電流以V/L斜率線性上升或下降電感的充電假設(shè)電池內(nèi)阻極小，開關(guān)按下后，電感兩端電壓等于電池電壓，電感電流以12V/100uH的斜率線性上升。若開關(guān)一直按著不放，將會(huì)怎樣？電感燒毀？電感電流無限大？電感的儲(chǔ)能電感器中流過電流就會(huì)儲(chǔ)存能量，電感以磁場的形式儲(chǔ)存能量。電感儲(chǔ)能為：電感充電時(shí)，隨著電流的增加，能量以電流平方倍的關(guān)系增加，但一個(gè)實(shí)體電感儲(chǔ)能并不是無限大，能量主要存儲(chǔ)在磁芯中（而不是線圈中），磁芯體積越大，存儲(chǔ)的能量越多（與磁芯材質(zhì)也有一定關(guān)系）一定體積的電感，當(dāng)電流大到一定程度，其儲(chǔ)存的能量也達(dá)到上限，電流再增加，其能量不再增加。這種現(xiàn)象稱為電感飽和。電感飽和后，其儲(chǔ)能方程仍然有效，若電流線性增加，電感量會(huì)以指數(shù)倍減??！電感飽和后，其電感量減小，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的發(fā)熱！電感的充電假設(shè)t1時(shí)刻電感飽和，其電感量減小，電流斜率增加。電感開始發(fā)熱。在實(shí)際使用中，應(yīng)避免電感飽和。（或說磁芯飽和）電感器除標(biāo)稱電感值之外，還有一個(gè)參數(shù)就是飽和電流Isat，應(yīng)選擇Isat比電路中實(shí)際電流大的電感器。若電路中電感器有發(fā)熱現(xiàn)象，則說明電感器有飽和現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)更換一個(gè)感量相同但體積更大的電感。電感的參數(shù)如淘寶網(wǎng)上，正規(guī)廠家的電感器都標(biāo)有電感量和電感電流兩個(gè)參數(shù)電感的放電也許下面電路容易理解一些：電阻R給了電感電流釋放回路，電感電流方向仍然不變，但仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)電感兩端的電壓方向發(fā)生了突變！原因是電感充電時(shí)是電池的負(fù)載，電流從高電位向低電位流動(dòng)，而電感放電時(shí)候，電感作為電源，其電流是由低電位向高電位流動(dòng)的！電感兩端的電壓值等于電阻上電壓值，假如t1時(shí)刻，電感電流為1A，則電阻電流也為1A，電阻電壓為1V，電感電壓也為1V。此后電感電流因放電而逐漸減小，電感電壓也逐漸減小。若電阻值為10歐、100歐、1K歐又怎樣？！阻值∞又如何？總結(jié)：電感由充電到放電時(shí)，其電流不會(huì)突變，但電壓極性瞬時(shí)改變，電壓大小取決于與電感并聯(lián)的等效電阻的大小。電感的放電實(shí)際上，在電感無并聯(lián)的負(fù)載時(shí)候，相當(dāng)于負(fù)載阻值無窮大，電感電流為了能找到通路，會(huì)不斷增加電感兩端電壓。直至擊穿空氣，使得能量得以釋放！擊穿空氣時(shí)，等效負(fù)載阻值不是無窮大，由于電壓很高，能量釋放斜率極大。+-擊穿空氣利用電感升壓開關(guān)導(dǎo)通時(shí)候，D1二極管反偏，電感電壓左正右負(fù)（如圖所示）。開關(guān)關(guān)閉時(shí)，電感電壓左負(fù)右正，這時(shí)候電感右端電壓為VIN+VL，產(chǎn)生高于輸入的電壓。使二極管正偏。因而能升壓。圖中電容值相對(duì)較大，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電壓變化很小，因此對(duì)電感來說，放電時(shí)也是恒壓放電，電感電流線性下降。電感電流波形三種拓?fù)潆娐?，無論開關(guān)導(dǎo)通時(shí)還是截止時(shí)，電感兩端電壓都恒定（其實(shí)有微小變化，電容容量越大，電壓變化越?。?，因此，電感電流上升斜率為一常數(shù)，下降斜率也是一常數(shù)。也就是說，在開關(guān)周期性導(dǎo)通和關(guān)閉時(shí)，電感電流波形是一鋸齒波（或三角波）。電路達(dá)到穩(wěn)定后，電感電流紋波伏秒法則電路達(dá)到穩(wěn)定后（即輸出電壓穩(wěn)定后）電感每個(gè)周期內(nèi)充電能量等于釋放能量，每個(gè)周期電感電流起始值都相等，充滿電后的電流峰值也相等。由得定義：伏秒積則：對(duì)于給定的輸入輸出電壓，其Uon、ton為常數(shù)，即Et為常數(shù)，說明電感量大小與電流紋波成反比。電感量越大，電流紋波越小。單位：V·uS伏微秒電流紋波率定義電流紋波率，則：電感量計(jì)算公式電流紋波率是電感電流交流分量與直流分量的比值。電感電流三種導(dǎo)電模式r越小，說明電流紋波相對(duì)也較小，則輸出電壓紋波相應(yīng)也較小。一般，電流紋波率r取0.4左右為最佳①。見參考資料《精通開關(guān)電源設(shè)計(jì)》[美]SanjayaManikala著，王志強(qiáng)等譯，人民郵電出版，2008年10月第1版開關(guān)電源的占空比占空比D=ton/T=ton/(ton+toff)由Et=Von×ton=Voff×toff得（適用于所有拓?fù)洌┴?fù)載電流電感平均電流IL占空比DVoVo-VinVoVoffVinVinVin-VoVonBuck-boostboostbuck表1.三種變換器的傳遞函數(shù)電感量的計(jì)算可用公式或計(jì)算其中，r取0.4計(jì)算電感量，實(shí)際取值可以大于等于計(jì)算值。f為工作頻率，由驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的控制器決定。電感電流IL由負(fù)載電流IO決定。Von由輸入電壓和輸出電壓確定。降壓型DC/DC電感計(jì)算實(shí)例按本題要求，輸入24V，輸出5V，輸出電流1A，若使用開關(guān)穩(wěn)壓芯片LM2596S-ADJ，其工作頻率為150KHz，其原理圖如下：計(jì)算電感值和電感峰值電流。降壓型DC/DC電感計(jì)算實(shí)例解：(1)對(duì)于buck變換器，應(yīng)在輸入電壓最高時(shí)計(jì)算電感。(2)占空比D=Vo/Vin=5/24=0.208(3)周期T=1/f=1/150KHz=6.67uS(4)導(dǎo)通時(shí)間ton=D*T=0.208*6.67=1.39uS(5)伏秒數(shù)Et=Von*ton=(Vin-Vo)*ton=(24-5)*1.39=26.36VuS(6)電感平均電流IL=IO=1A(7)L=Et/(r*IL)=26.36/(0.4*1)=65.9uH;取L=68uH(8)電感電流峰值：Ipk=(1+r/2)IL=1.2IL=1.2A總之，需要68uH，飽和電流在1.2A以上的電感。升壓型DC/DC電感計(jì)算實(shí)例略極性反轉(zhuǎn)型DC/DC電感計(jì)算實(shí)例略數(shù)控可調(diào)降壓型DC/DC變換器Buck電路跟串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源類似，只是工作在開關(guān)模式下。開關(guān)管輸出取樣誤差放大基準(zhǔn)輸出輸入鋸齒波比較器PWM亦可通過改變基準(zhǔn)電壓、改變輸出取樣分壓比；或者通過改變占空比實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。由單片機(jī)調(diào)節(jié)的開關(guān)電源現(xiàn)在有許多單片機(jī)具有PWM輸出端口，可利用AD轉(zhuǎn)換端口測量輸出電壓，根據(jù)輸出與設(shè)定的誤差調(diào)整PWM占空比，可調(diào)節(jié)輸出電壓。這種方式成為軟件閉環(huán)負(fù)反饋方法，要求單片機(jī)速度要足夠快，否則由于運(yùn)算延時(shí)過大，容易造成過調(diào)節(jié)，使輸出產(chǎn)生振蕩?？捎糜谳斎腚妷合鄬?duì)穩(wěn)定，負(fù)載電流變化小或變化慢的場合，例如驅(qū)動(dòng)LED照明燈等。可調(diào)開關(guān)穩(wěn)壓器分壓點(diǎn)電流注入方式通過給取樣點(diǎn)注入直流電流，從而改變輸出電壓。這種方式仍屬于硬件負(fù)反饋，對(duì)單片機(jī)和DA速度沒有要求，穩(wěn)壓效果較好。缺點(diǎn)：不能從0V調(diào)起，只能從芯片Vref調(diào)起。但本題DCDC后還有一級(jí)線性穩(wěn)壓，因此，從1.23V起調(diào)沒有問題。外接基準(zhǔn)和誤差放大器方式由于反饋環(huán)路中加了一級(jí)比較器，使得反饋時(shí)延增大，輸出紋波會(huì)比分壓點(diǎn)電流注入方式大。為何不用數(shù)字電位器分壓取樣？現(xiàn)有的絕大多數(shù)數(shù)字電位器VH端能承受的電壓范圍小，無法接受20V電壓。有些內(nèi)部具有電阻網(wǎng)絡(luò)的DA轉(zhuǎn)換器可配置為數(shù)字電位器模式，例如DAC0832，Vref端接DC/DC輸出端，可實(shí)現(xiàn)分壓，且Vref端可接受最大25V電壓，這種器件可以一試。DC/DC+線性穩(wěn)壓輸出端經(jīng)R7、R8分壓后至AD轉(zhuǎn)換器，以檢測輸出電壓。單片機(jī)通過DA1和DA2分別同時(shí)控制線性調(diào)壓和DC/DC調(diào)壓。自動(dòng)調(diào)節(jié)線性穩(wěn)壓的壓差進(jìn)一步提升效率本文以LM2596-ADJ為例講解DC/DC控制器如何配置為數(shù)控可調(diào)電源的方法，其他芯片調(diào)整方法與此相同。但LM2596資料介紹，在12V輸入、5V輸出時(shí)效率只有80%，24V輸入，5V輸出時(shí)效率僅82%左右，由此影響整機(jī)效率很難達(dá)到75%，如何才能進(jìn)一步提升效率呢？DC/DC的損耗主要在于開關(guān)管的內(nèi)阻和續(xù)流二極管的壓降！高效率DC/DC高效率DCDC有兩個(gè)特點(diǎn)：開關(guān)管采用NMOS管（LM2596開關(guān)管為NPN）；使用同步整流技術(shù)，用NMOS管替代續(xù)流二極管。具有著兩個(gè)特點(diǎn)的芯片有：LM2676-ADJ，8~40Vin，3A，5V輸出時(shí)效率約88%高效率DC/DCLM2670、LM2678等詳情見TI官網(wǎng)：/lsds/ti_zh/power-management/dc-dc-switching-regulator-products.page輸出電流測量輸出電流測量是電源中經(jīng)常要求包含的內(nèi)容。主要用于顯示電流或進(jìn)行過流保護(hù)。電流檢測有介入測量和非介入測量。介入測量是在電流通路上串聯(lián)一個(gè)小的精密電阻，通過測量電阻兩端電壓換算出電流值。非介入測量通過檢測電流通路磁場的變化間接測量電流大小。輸出電流測量非介入測量:利用霍爾器件檢測導(dǎo)線周圍磁場，通過預(yù)先標(biāo)定，換算出導(dǎo)體內(nèi)電流。有點(diǎn)：電磁隔離，信號(hào)輸出與被測通路隔離。缺點(diǎn)：受磁場影響大。輸出電流測量介入測量：在電壓輸出通路或地線回路中串聯(lián)小阻值電阻，通過電阻電壓換算電流。分為高邊檢流（或高端檢流）：檢流電阻串聯(lián)在高電壓端。低邊檢流：檢流電阻串聯(lián)在地線回路中。為了減小檢流電阻對(duì)輸出電壓的影響，一般使用阻值很小的低值電阻進(jìn)行檢流，阻值小，