嵌入式工程師通常對(duì)單片機(jī)、ARM、DSP、FPGA等設(shè)備具有熟練的操作能力。然而，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為電源系統(tǒng)供電是一項(xiàng)重要的任務(wù)。雖然他們可以成功地運(yùn)行精心設(shè)計(jì)的程序，但對(duì)于新手來說，有時(shí)可能會(huì)遇到效率低下的問題，例如供電電流不足或過大的問題。接下來穎特新（http://www.yingtexin.net/）幫助讀者輕松掌握DCDC電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，以下是11個(gè)要點(diǎn)。

1.DC-DC電源是什么

DC-DC電源電路，也被稱為DC-DC轉(zhuǎn)換電路，其主要功能是進(jìn)行輸入輸出電壓的轉(zhuǎn)換。一般而言，我們將輸入電源電壓在72V以內(nèi)的電壓變換過程稱為DC-DC轉(zhuǎn)換。

常見的電源主要分為兩類：車載與通訊系列和通用工業(yè)與消費(fèi)系列。前者使用的電壓一般為48V、36V、24V等，后者使用的電源電壓一般在24V以下。在不同應(yīng)用領(lǐng)域中，電壓規(guī)律有所不同。例如，在PC中常用的電壓為12V、5V、3.3V；模擬電路電源常用5V、15V；數(shù)字電路常用3.3V等?，F(xiàn)在的FPGA、DSP等還采用2V以下的電壓，如1.8V、1.5V、1.2V等。

在通信系統(tǒng)中，DC-DC電源電路也被稱為二次電源，因?yàn)樗梢淮坞娫椿蛑绷麟姵亟M提供一個(gè)直流輸入電壓，經(jīng)過DC-DC轉(zhuǎn)換后，在輸出端獲得一個(gè)或幾個(gè)直流電壓。

2.DC-DC轉(zhuǎn)換電路分類

DC-DC轉(zhuǎn)換電路主要分為以下三種類型：

1. 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路；2. 線性（模擬）穩(wěn)壓電路；3. 開關(guān)型穩(wěn)壓電路。

3.最簡(jiǎn)單的穩(wěn)壓管電路設(shè)計(jì)方案

穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，然而其帶負(fù)載能力較差，輸出功率較小，通常僅用于為芯片提供基準(zhǔn)電壓，而不作為電源使用。并聯(lián)型穩(wěn)壓電路是比較常用的類型。其電路簡(jiǎn)圖如下所示：

在選擇穩(wěn)壓管時(shí)，可以根據(jù)以下估算公式進(jìn)行：

1. Uz = Vout

2. Izmax = (1.5 - 3) ILmax

3. Vin = (2 - 3) Vout

這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠抑制輸入電壓的擾動(dòng)。然而，由于受到穩(wěn)壓管最大工作電流的限制，同時(shí)輸出電壓也不能任意調(diào)節(jié)，因此該電路適用于輸出電壓不需調(diào)節(jié)，負(fù)載電流小，要求不高的場(chǎng)合。該電路常用作對(duì)供電電壓要求不高的芯片供電。

4.基準(zhǔn)電壓源芯片穩(wěn)壓電路

以下是穩(wěn)壓電路的另一種形式，有些芯片對(duì)供電電壓要求比較高，例如AD DA芯片的基準(zhǔn)電壓等，這時(shí)常用的一些電壓基準(zhǔn)芯片如TL431、 MC1403 ，REF02等。例如，TL431是一種常用的基準(zhǔn)源芯片，具有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源。通過使用兩個(gè)電阻，可以將其輸出電壓設(shè)置為從Vref（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值。最常用的電路應(yīng)用如下圖所示，此時(shí)Vo=（1+R1/R2）Vref。通過選擇不同的R1和R2的值，可以得到從2.5V到36V范圍內(nèi)的任意電壓輸出。特別地，當(dāng)R1=R2時(shí)，Vo=5V。

其他的幾個(gè)基準(zhǔn)電壓源芯片電路類似。

5.串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的電路認(rèn)識(shí)

串聯(lián)型穩(wěn)壓電路是直流穩(wěn)壓電源的一種，它是在三端穩(wěn)壓器出現(xiàn)之前比較常用的直流供電方法。其構(gòu)成包括OP放大器和穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的誤差檢測(cè)電路，如下圖所示。在圖中，OP放大器的反向輸入端子與輸出電壓的檢測(cè)信號(hào)相連，正向輸入端子與基準(zhǔn)電壓Vref相連。

通過調(diào)整R1和R2的比例，可以設(shè)定所需的輸出電壓值。在正常情況下，必有Vref=Vs=Vout*R2/(R1+R2)。然而，如果放大信號(hào)ΔVs為負(fù)值，控制晶體管的基級(jí)電壓將下降，從而導(dǎo)致輸出電壓減小。

雖然圖中所示的原理是基本的，但實(shí)際上負(fù)載大小可以由不同的元件（如達(dá)林頓管）來驅(qū)動(dòng)。然而，由于這種串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的處理不當(dāng)極易產(chǎn)生振蕩，因此現(xiàn)在沒有一定模擬功底的工程師通常不會(huì)采用這種方法，而是直接采用集成的三端穩(wěn)壓電路進(jìn)行DC-DC轉(zhuǎn)換電路的使用。

6.線性(模擬)集成穩(wěn)壓電路常用設(shè)計(jì)方案

線性穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)方案主要采用三端集成穩(wěn)壓器。三端穩(wěn)壓器分為兩種：

1. 固定輸出三端穩(wěn)壓器

固定輸出三端穩(wěn)壓器的輸出電壓是固定的，其通用產(chǎn)品有78系列（正電源）和79系列（負(fù)電源），輸出電壓由具體型號(hào)中的后面兩個(gè)數(shù)字代表，包括5V、6V、8V、9V、12V、15V、18V、24V等檔次。輸出電流以78（或79）后面加字母來區(qū)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。

2. 可調(diào)輸出三端穩(wěn)壓器

可調(diào)輸出三端穩(wěn)壓器的輸出電壓是可調(diào)的，其代表芯片是LM317（正輸出）和LM337（負(fù)輸出）系列。這類芯片的最大輸入輸出極限差值為40V，輸出電壓為1.2V-35V（-1.2V--35V）連續(xù)可調(diào)，輸出電流為0.5-1.5A，輸出端與調(diào)整端之間電壓在1.25V，調(diào)整端靜態(tài)電流為50uA。

在線性集成穩(wěn)壓器中，由于三端穩(wěn)壓器只有三個(gè)引出端子，具有外接元件少、使用方便、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。

7.DCDC轉(zhuǎn)換開關(guān)型穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)方案

上面所述的幾種DCDC轉(zhuǎn)換電路都屬于串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路，在此種工作模式中集成穩(wěn)壓器中調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，因此當(dāng)負(fù)載電流大時(shí)，損耗比較大，即轉(zhuǎn)換效率不高。因此使用集成穩(wěn)壓器的電源電路功率都不會(huì)很大，一般只有2-3W，這種設(shè)計(jì)方案僅適合于小功率電源電路。

采用開關(guān)電源 芯片設(shè)計(jì)的DCDC轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化效率高，適用于較大功率電源電路。目前得到了廣泛的應(yīng)用，常用的分為非隔離式的開關(guān)電源與隔離式的開關(guān)電源電路。

DCDC轉(zhuǎn)換開關(guān)型穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)方案，采用開關(guān)電源芯片設(shè)計(jì)的DCDC轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化效率高，適用于較大功率電源電路。目前得到了廣泛的應(yīng)用，常用的分為非隔離式的開關(guān)電源與隔離式的開關(guān)電源電路。當(dāng)然開關(guān)電源基本的拓?fù)浒ń祲盒?、升壓型、升降壓型及反激、正激、橋式變化等等?/p>

8.非隔離式DCDC開關(guān)轉(zhuǎn)換集成電路芯片電路設(shè)計(jì)方案

DCDC開關(guān)轉(zhuǎn)換集成電路芯片，這類芯片的使用方法與第六條中的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(jìn)行AC-AC變換，將～220V降至開關(guān)電源集成轉(zhuǎn)換芯片輸入電壓范圍比如1.2～34V，由L4960進(jìn)行DC-DC變換，這時(shí)輸出電壓的變化范圍下可調(diào)至5V，上調(diào)至40V，最大輸出電流可達(dá)2.5A(還可以接大功率開關(guān)管進(jìn)行擴(kuò)流)，并且內(nèi)設(shè)完善的保護(hù)功能，如過流保護(hù)、過熱保護(hù)等。

盡管L4960的使用方法與LM317差不多，但開關(guān)電源的L4960與線性電源的LM317相比，效率不可同曰而語，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(shù)與L4960相同，只是最大輸出電流可高達(dá)4A，且具有更多的保護(hù)功能，封裝形式也不一樣。這樣的芯片比較多，比如，LM2576系列，TPS54350，LTC3770等等。一般在使用這些芯片時(shí)，廠家都會(huì)詳細(xì)的使用說明和典型電路供參考。

9.隔離的DCDC開關(guān)電源模塊電路設(shè)計(jì)方案

常用的隔離DC-DC轉(zhuǎn)換主要分為三大類：

1.反激式變換；2.正激式變換；3.橋式變換

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(hào)也不少?？刂菩酒湫痛硎浅Ｓ玫腢C3842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、DC-DC轉(zhuǎn)換電路。其主要應(yīng)用原理是：電路由主電路、控制電路、啟動(dòng)電路和反饋電路4 部分組成。

主電路采用單端反激式拓?fù)洌巧祲簲夭娐费葑兒蠹痈綦x變壓器構(gòu)成的，該電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，輸入電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)?？刂齐娐肥钦麄€(gè)開關(guān)電源的核心，控制的好壞直接決定了電源整體性能。這個(gè)電路采用峰值電流型雙環(huán)控制，即在電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)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(shè)計(jì)方案相比電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元器件參數(shù)確定比較困難，開發(fā)成本較高，因此需要此方案時(shí)可以優(yōu)先選擇市面上比較廉價(jià)的DC-DC隔離模塊。

10.DCDC開關(guān)集成電源模塊方案

很多微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)都需要內(nèi)核電源和一個(gè)輸入/輸出(I/O)電源，這些電源在啟動(dòng)時(shí)必須排序。設(shè)計(jì)師們必須考慮在加電和斷電操作時(shí)內(nèi)核和I/O電壓源的相對(duì)電壓和時(shí)序，以符合制造商規(guī)定的性能規(guī)格。

如果沒有正確的電源排序，就可能出現(xiàn)閉鎖或過高的電流消耗，這可能導(dǎo)致微處理器I/O端口或存儲(chǔ)器、可編程邏輯器件(PLD)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等支持器件的I/O端口損壞。為了確保內(nèi)核電壓正確偏置之前不驅(qū)動(dòng)I/O負(fù)載，內(nèi)核電源和I/O電源跟蹤是必需的。

現(xiàn)在有專門的電源模塊公司量身定做 一些專用的開關(guān)電源模塊，主要是那些對(duì)除去常規(guī)電性能指標(biāo)以外，對(duì)其體積小，功率密度高，轉(zhuǎn)換效率高，發(fā)熱少，平均無故障工作時(shí)間長(zhǎng)，可靠性好，更低成本更高性能的DC-DC電源模塊 。

這些模塊結(jié)合了實(shí)現(xiàn)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(dá)40個(gè)不同的組件。這樣就簡(jiǎn)化了集成并加速了設(shè)計(jì)，同時(shí)可減少電源管理部分的占板空間。

最傳統(tǒng)和最常見的非隔離式DC-DC電源模塊仍是單列直插(SiP)封裝。這些開放框架的解決方案的確在減少設(shè)計(jì)復(fù)雜性方面取得了進(jìn)展。然而，最簡(jiǎn)單的是在印刷電路板上使用標(biāo)準(zhǔn)封裝的組件。

11.DCDC電源轉(zhuǎn)換方案的選擇注意事項(xiàng)

①需要注意的是，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路不能作為電源使用，只能用于沒有功率要求的芯片供電。

②線性穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于轉(zhuǎn)化效率較低，因此只能用于小功率穩(wěn)壓電源中。

③開關(guān)型穩(wěn)壓電路具有較高的轉(zhuǎn)化效率，可以應(yīng)用于大功率場(chǎng)合，但其局限性在于電路結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜（尤其是大功率電路），不利于小型化。因此，在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的設(shè)計(jì)方案。