DC－DC电源降压电路设计及其功率电感的选型介绍

Colbie

DC－DC电源降压电路设计及其功率电感的选型介绍

有的是分立电源（即一个电路一个输出电压），有的则是集成电源，例如PMU，存在多个电源输出，满足不同的需求。分立与集成各有优点。

分立电源电路的优点：单体价格便宜，电路设计复杂，输出容易调整，可输出大负载能力，散热好。缺点：占PCB的面积较大，电源系统总成本可能会高于集成电源电路（具体问题具体分析），EMI较差。
$ H6 `- Z2 j& R) a+ B( ~6 Y
0 X% q3 Z% I0 T3 M! S- Z集成电源电路的优点：输出电源种类多，电路设计简单，器件数量少，所占PCB面积小，节省空间，EMI较好。缺点：因集成度高，输出的功率较小，体积小不容易散热，严重情况会出现烧坏，单体价格较贵。

7 k& q' W+ _! y! Q2 y3 K. Z% C3 W因功率电感在电源设计中属于非常重要的器件，所以这里一起介绍。

降压电路设计
) M# _8 x" @: O( g
8 y' H& W$ m4 _3 [! g一般在设计之初工程师提出具体的设计参数，例如：DC-DC工作频率、输入电压范围、输出电压范围、输出最大电流、输出纹波、效率、封装等。

大部分电子设备中存在的电压为5V、3.3V，CPU小系统可能还存在1.8V、1.2V、或其他电源，在移动通讯中，常用的电源为3.8V。因原理一样，这里只举例5V和3.3V电源设计。

例一：9V转5V电路设计
' A7 ]* w' G3 [* {/ o- c
1） 下图为Silergy的SY8120型号。具体自查规格书。
' e! T/ h* F# u' f+ K. Z0 A3 i5 u) a

简单介绍下规格参数：该芯片工作频率为500KHz，输入电压范围4.5V~18V，输出电流为2A，高效率，SOT23-6小封装。
9 d$ b" d& d# q% m
下表红色部分为主要关注参数。
# l6 L. R1 X+ X: ~' ^% i
Iq 静态电流，当输出空载时芯片自耗电，主要考虑领域为待机功耗。

Vref为反馈参考电压，在芯片内部存在一个比较器，用于输出调节，是芯片的主要参数之一，通过反馈电阻网络调节输出电压。
$ U1 B. M( R& K; t' M
IFB是决定了反馈电阻网络的取值范围，如果此电流设计过大，会造成待机功耗增大，如果设计过小，反馈失效，导致输出不正常。

  D; a4 q5 K4 B; p# `7 j% ?上下MOSFET的RDS（on），越小约好，会影响到输出效率，静态功耗。
! y7 E  p! g3 ^7 p8 }" B$ ^3 H6 G
9 L, ]/ H( F6 wILIM是上下MOS的极限电流值，很多厂家，这个参数只有典型值或最小值，没有最大值，其实是为了自己规避问题，在设计中，按照典型值或最小值进行设计，基本能满足设计要求，但如果在输出负载超过这个值后，电源IC就会烧毁，上MOS几率最大。因此如果规格中设置了最大值，说明这个IC存在过流保护，在设计中是个很好的选择。
! C+ \0 t9 c) }: v9 p  P' h. c7 J9 E
, [1 C3 I6 N+ e, n  C& n' iVEN，是芯片开关功能，一般内部为一个施密特触发器，高于一个电压才能打开，小于一个电压才能关闭。在设计中，可能会出现无法关机的现象，因为系统中存在较多的电容，在关机过程中，电源下电时间等因素，导致这个问题的存在。所以重点关注下电时间点电压。

0 i4 E# [$ G3 t8 ^5 KFSW，为芯片的主要开关频率，是电源设计中的非常重要的参数，影响了后面的输出电流设计，电感的选型和输出电容的选择。
1 c, \; ~0 {" ?2 s) ?

2） 电源设计电路
9 Y$ T! l9 N* n' i

设计电路中，设计基本参数为：VIN大概为9V，输出电压为5V，输出电流1Amax，纹波小于50mV。

  Y: V3 j1 q: U6 F! \图中分为6个部分，按照序号，分别为：输入电容，自举电容，电感，反馈电阻，输出电容，缓启动。
  }2 H; b% n2 V6 y, j& p/ T! B
框1：一般输入电容为规格书建议值，一般为uF级，用于续流，防止在负载突然增大时，影响前面的电源，使前面的电源出现波动，如果存在高频滤波电容，需放置在IC附近。

框4：设计输出电压，要得到约5V的输出电压，因考虑电路中的线损，输出略高于5V。根据下面的公式，计算得到输出电压5.289V。

Vout=0.6*(R43/R44)
: D% y1 r2 B1 q; {6 b5 o0 Q$ s
1 S7 Y( U$ p, K$ |2 P框3：根据规格书中给出的公式计算。电路输入电压范围为7~12V（典型值9V），输出电压约为5.289V，输出电流最大约为1A，当输入电压为7V时，通过计算得到电感约为6.5uH，当输入为12V时，计算得电感约为14.8uH，选择常用的10uH电感。输入电压为9V时，根据公式，输出的最大电流约为1.09A，基本能满足要求。电感的额定电流要约为输出电流的1.5倍，那么选用额定电流1.68A的电感，能够满足要求。
3 E; M0 O/ y/ G/ h  v

框2：有的电路外部自举电路，而有的则在内部。一般为0.1uf，使上MOS持续导通。
8 i- v) u4 y' e7 W- q* X: B
框5：输出电容根据规格书要求最小为22uF，选用低ESR的MLCC电容两个10uF，如果规格书没有提出，需要根据下面计算公式得出。

纹波电流的计算公式：

输出的电容为20.1uF，因MLCC的ESR很小，可忽略，根据下面的公式得到纹波电压约为10mV，满足要求。
  T( p% I" X+ X! U* u* ~) S
$ b/ v6 L  M3 U6 r7 P4 F框6：阻容器件并联，起到延时缓启动的作用，同时在关电时，对地电阻起到迅速放电的作用。
( \8 a$ q( ^9 n
放置R43上并联C60，有助于增加负载瞬态响应速度和输出稳定性，一般为10pf~22pf
- @- a$ `0 f5 I) \0 U% K1 z% F
0 k( P1 L3 {+ b在实际的工作中，一切可以调整的因素都是相对稳定的，并且带有一定的实际工作误差。因此在考虑开关频率、L和C的取值时，要考虑干扰因素，选取受到很多因素影响的一个折中的结果。
/ O/ B: L0 q4 d% {
. d: x0 f3 f# _

yxlk

谢谢分享