开关电源设计实例分享

　　目前开关电源的设计有两种途径：从层开始设计和从数据手册上拷贝电 路的方法。目前市场上有很多很好的控制集成芯片，而且这些芯片的数据手册上 都有事先准备好的设计步骤。本书的目的是让读者对开关电源设计有更进一步深 入、扎实的理解。下面的设计例子包含了开关电源所需的控制ic的使用方法。 这些设计例子所包含的开关电源基本原理胜过了一些控制ic资料提供的电源设 计简易方法。这些基本原理在磁性元件、反馈补偿器、输入输出滤波器的设计方 面也很有效。

　　下面的例子虽然乏味，但对理解PWM开关电源的设计过程有很大的指导作用。

　　3.15.1板载的10W降压Buck变换器 应用场合

　　在一些线性电源产生的热量对电路来说无法忍受的场合，开关电源就可以作 为板载电源使用。前置粗调节器的输出在+ 10～+18V之间变化，板载电源的输 出电压为+ 3.3V。

　　在这个设计例子中，特意不用高度集成的Buck控制1C，这是为了更好地演 示开关电源器件的选择和设计过程，见图3-64。

　　

　　图3-64例3.15.1的幅频和相频博德图 a） Buck变换器幅频特性b） Buck变换器相频特性技术指标

　　输入电压范围：DC+10-+14V 输出电压：DC + 5V输出电流：2A

　　输山电压纹波峰峰值：+30mV 输出精度：±1%

　　“黑箱”预先估计

　　输山功率：+5.0Vx2A=10.0W （.max）

　　输入功率：匕。，/）^ = 10.0W/0.80= 12.5W 功率开关损耗：〔12.5W-10W） x 0.4=1.0W 续流。：极管损耗：（12.5W-10W） x0.6=1.5W 输入平均电流低电 E 输入时：12.5W/10V=1.25A 卨电 1+：输入时：12.5W/14V = 0.9A估计峰值电流：1.4/utlratn1， = 1.4 x 2.0A = 2.8A 要求的下作频率：100kHz 电感设计（参考3.5.5节）M差工作条件是发生在卨输入电乐的情况。

　　j _- Kmt）（丄-Km Z I—》 ）

　　_1 A J 。 f

　　〇ul （min） J svv

　　_ （14V - 5 V） （1 - 5V/14V）

　　二 ^1.4x0.5Ax 100kHz

　　式中丨、输入电压值；

　　Vou［—输出电压；

　　人— 负载电流；

　　九？下作频宇-。

　　电感采w在j型引线塑料安装板卜。安装的表面安装环形电感。从很多r商那 m都吋以得到标准表面安装的电感，在这见选用Coilcmft公司的器件，型号为 D03340P-104。

　　选择功率开关和续流二极管

　　功率开关：功率丌关选用P沟道的功率MOSFET。输入电压是DC18V， H而Fl）ss额定值耍大干30V。峰值电流为2.8A，N时为了使损耗小flW，所以 口J‘以估算i？DS）。、V：小于：

　　^ I）S （on - max） ~ ^ l） （est） ^ ^pk （est》

　　二 1W/ （2.8A）2《0.127n （M大）

　　这里选用的是常用的S08封装、导通电阻为0.045n的FDS9435型P沟道 MOSFETo续流二极管：为了减小导通损耗和开关损耗，续流二极管要选用肖特某二极 管，这种二极管在3A峰值电流时，它的5通电压是可以接受的。MBRD330在流 过3A电流时的压降为0.45V （+ 25°C）。

　　输出电容（参考3.6节）

　　输出电容值由下式决定：

　　P _ 人xit （max》 Cl ？DC （lx6lx））

　　【y out （min） _/？y

　　J sw f ripple （p - p）

　　= 2Ax a-5V/14V）

　　_ 100kHz x 30mV！

　　对输出和输入滤波电容主耍关心的是流过这些电容的纹波电流。在这种情况 卜，纹波电流5电感上电流的交流分是相NJ的。电感电流的值是2.8A， 纹波电流的峰峰值约为1.8A，纹波电流的有效值约为0.6A （人约为峰峰值的1/ 3）。

　　这里选用的是表lii安装的钽电容，这种电容的ESR只有电解电容的50%。 在周围环境温度为+ 85°C时，建议将电容的容量降额30%。

　　奵是选用AVX公司斗：产的电容，AVX公司的电容的ESR很小，这样就允 许流过比较人的纹波电流。这些电容比较特殊，并不常W。下面的任何一种电容 都吋以满足输出要求。

　　AVX公司：

　　TPSE477M010R0050 470^F （20%），10V，50mn，1.625A （有效值）TPSE477M010R0100 470“_F （20%），10V，lOOma 1.149A （有效值）Nichicon：

　　F751A477MD470fJ （20%）， 10V， 120mn，0.92A （侖效值）同时满足这种容量、额定电压和ESR小的表ifU安装电容很少。比较可行的 办法足把容量不小于设计值一半的两个电容并联起来，这样可选择的电容较多， ESR也比较小。在这种情况K，可以选用两个330;iF、10V的钽电容并联。卜’而 列！丨丨的就足可选HJ的电容：

　　KEMET公司：

　　T510X337M010AS 330ftF （20%.），10V，35mf}，2.0A （有效值）Nichicon 公司：

　　F751A337MD330，（20%），10V，150mn， 0.8A （有效值。）输入滤波电容

　　输入滤波电容的电流与功率开关的电流波形…样，这A电流波形是梯形的， 它从1A的初始值以很陡的斜率上升到2.8A。输入滤波电容的工作条件比输出滤 波电容要恶劣得多。佔计梯形电流的有效值时，可以把电流波形看成是由一个峰 值为1A的矩形波和峰值为1.8A的三角波叠加组成。这样估计得到的电流有效 值人约足1.1A，电容值可以从下式算出：

　　CPm -12-5W

　　m~~100kHzxl.0V2

　　=125，_tF

　　电容的额定电压越高，它的容m就越小，这样可以用两个68，uF的电容并联。 可选W的电容如下：

　　AVX：（。每个电源需要2个）

　　TPS686M016R0150 68，uF （20%），16V，150mn，0.894A〔有效值_）AVX：（每个电源需要3个）

　　TAJ476M016 47/1 （20%），16V，900m^，0.270 （等效值）Nichicon：海个电源需要3个）

　　F721C476MR 47/xF （20%），16V，750ma 0.19D （等效值）选择控制器1C

　　Buck控制器1C所要考虑的性能如下：

　　1.吋以且接从输入电佧供电工作。

　　2.逐周过电流限制。

　　3.图腾柱M0SFET驱动能力。

　　市场上有许多Buck控制芯片，在这里选用的是UC3873。这款芯片的内部电 压误差放人器的参考电压为1.5 （1±2%） V。

　　设置工作频率（C1，）

　　参考数据手册，丌关频率是按卜面公式设置：

　　C， = l/ （l5kOx/su） =1/ （I5kn X 100kHz）

　　二666jpF （取接近的值为680pF）

　　电流检测电阻（圮）

　　这种1C的保护方式是逐周电流检测，当电流信号超过0.47V的阈值时，就 立刻关断功率开关。

　　在设计时，在的电流峰值勹保护的电流阙值之间留了 25%的裕度（保 护值为 1.25x2.8A = 3.5A）。

　　R} =0.47V/3.5A = 0.1340

　　接近的电阻值为o.m。

　　电压检测电阻分压网络（/？3和及4）

　　/？4 （下端的电阻）

　　/？4 = l-5V/lniA= 1.49kO （1%）

　　这样检测的电流为1.006mA。

　　及3 （上端电阻）

　　R3 = （5.0V-1.5V） /1.006inA = 3.48kn （1%）

　　电压反馈环补偿（参考附录B）

　　这个例了是电压型正激式变换器，为了得到的暂态响应，选W 2个极 点，2个零点的补偿器。

　　确定控制到输出特性

　　输丨h滤波器的极点是由滤波电感和电容决定的，超过转折频率后，以 -40dB/rkc下降。滤波器的转折频率为/lp wCT

　　二，二 6.19Hz

　　2丌 7100/iH x 660/xF

　　由输丨I;滤波电容的ESR引起的零点为（两个ESR为120mn的电容并联）：

　　{i14090H7

　　。_ 2t： x 60mn x 660/iF

　　电路的直流增益为

　　儿 M—V A U V/3 ？ 0V = 4.66 G儿=201g C4l）c） = 13.4dB 设置补偿器极点和零点的位置闭环幅频特性的穿越频率不能高干20%的开关频率（20kHz）。笔者在设计 吋发现，穿越频率在10～15kHz之间，电路性能可以满足多数应WJ要求。暂态响 应时间为200ps。

　　九二 15kHz

　　宵先假设补偿B的系统回路增益是以-20dBA］^的斜率K降。为了得到 15kHz的穿越频率，放大器要增大输入信号的增益，使博德图（曾称为伯德图） 上的曲线上移。

　　GX（1=201g （/xo//Ifl） -GDC=201g （l5kHz/619Hz） -13.4dB =G2 = + 14.3dB==（）

　　这就是为了得到所要的穿越频率而需要的屮频帶的增益（（；2）。

　　在个补偿零点处的增益为

　　G +201g （/ez2”：pl） = + 14.3dB + 201g （310Hz/4020Hz）二-8dB

　　山二-0.4 （）

　　为了补偿滤波器两个极点，在滤波极点的一肀处设置两个零点： f，A =/，.2 =310Hz个补偿极点设置在电容的ESR频率（4020Hz）。

　　/ePi = 4020Hz

　　第：个补偿极点通过对高丫？穿越频率的增益哀减来维持高频的稳定性。

　　/ftp2 二 1.5/xo = 22.5kHz 这样就可以计算误差放大器的补偿参数：

　　r11

　　7 ~2izfX0A2R3 _ 27tx 15kHz x 5.2x3.48kO

　　= 586pF （収 560PF）

　　R2 ==0.4x3.48kH= 1.39ka （？X 1.5kn）

　　r11

　　6 ~ 27r/ezl R2 ~ 2ti x 310Hz x 1.5kH

　　= 2.9/xF （M2.2！i）

　　R5 = R2/A2 = 1.5ka/0.4 = 3.75ka （？X 3.9kn）~ 2tt/ez2 R5 ~ 2tt x 22.5kHz x 3.9kH =1814pF （取 1800pF）见图3-65。

　　图3-6510W Buck （降压）电路