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DC/DC電源設計定義及原理分析

對于DCDC,大家都不陌生,因為就是開關電源,當然還有AC/DC,通常的AC/DC,都是110V或者220V交流變換為直流電源,我們這里先來討論DCDC電源設計。

DCDC電源類型分為2種,一種是隔離性,一種是非隔離型。隔離型DCDC的意思是輸出的GND和輸入的GND是無關系的,也成為懸浮電源。常見的DC-DC芯片大都是非隔離型的。隔離性的電源,是雙向,也叫做升壓降壓類型,非隔離型的,分為boost和buck兩種。

首先我們來說下非隔離的DC-DC原理,這類電源又分為boost和buck,即為升壓和降壓模式。首先分析下DCDC降壓電路:

Buck模式DCDC結構主要由輸入電容、功率MOS管、PWM模塊、肖特基二極管、功率電感、輸出電容和輸出調節電阻構成。DCDC開關電源這種結構模式決定了它輸出噪聲比較大。

接下來我們分析下工作原理,當功率MOS(以后簡稱開關),閉合時,電源通過電感給負載供電,并將電能儲存在電感L和輸出電容中,由于電感L的自感,在開關閉合時,電流增大的比較緩慢,即輸出不能立刻達到電源的電壓值。一定時間后,開關斷開,由于電感L的自感作用(可以形象的認為電感中的電流具有慣性作用),將保持電路中的電流不變,即從左到右繼續流。電流流過負載,從地返回,留到肖特基二極管的征集,經過二極管返回電感L的左端,從而形成一個回路。通過控制PWM的占空就可以控制輸出的電壓。

在開關閉合器件,電感儲存能量,在斷開期間釋放能量,所以電感L叫做儲能電感,二極管在開關斷開期間負責給L提供電流通路,所以二極管叫做續流二極管。當開關閉合時,電壓很小,所以發熱功率U*I就會很小,這就是開關電源高效率的原因。

通過這里原理,我們就知道了為什么在DCDC設計的時候,輸出一定要有大電容,二極管和電感為什么一定要靠近IC。而且DCDC的后級濾波一定要好,因為內部有開關頻率,噪聲很大。

接下來講解下boost型DCDC電路:

其基本模型如上圖,經過我們對buck電路的原理分析,對于BOOST應該很清楚了,同樣調整PWM的占空比,可以調節輸出,當PWM占空比為50%的時候,輸出電壓為輸入電壓的2倍,

基本原理如下

開關導通時,輸入電壓流向電感,電感電流線性增加,電感儲能增加,電源向電感轉移電能。

開關斷開時,電感電壓等于輸入電壓減去輸出電容的電壓,電感電流減少,電感儲能減少,電感儲能向負載轉移電能。

通過這樣不斷的開關實現了DCDC升壓,但是這種結構得到的電流比較小,通常在幾百毫安,而且效率不高。

最后我們講解下隔離性DCDC,這種DCDC是無升壓降壓的說法,其實內部可以理解為直流邊交流,然后再線圈耦合,后通過整流變成直流。基本原理框圖如下:

通過框圖大家很容易明白的,這里就不多說了,主要就是調整線圈的匝數,調節輸出的。這種電源輸出具有輸出電流大的特點。
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