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如何设计开关式降压稳压器?

如何设计开关式降压稳压器?

飞飞不能哭_版主_
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一般的汽车降压稳压器规格如下:

输入电压: 9~16V

输出电压:3.3V(example)

最大输出电流:3A

最低效率需求:85%以上

输出涟波电压:1~3%

开关频率:400KHz

保护机制:过电压,过电流,低电压保护

在确定输入输出的电压及电流后, 我们便可以开始着手来过进行一些功率元器件的计算了。

汽车应用的系统日渐增加,而其电子芯片也随着功能需求的增加其电源功率的电流规格也同步的变大,例如以英飞凌最新一代单片机为例,第一代AURIX 1G的600mA在第二代产品AURIX 2G的新一代芯片也提升至最高1.3A的电流需求。在DCDC开关式降压稳压器中,以电流连续模式为最普遍,所以在这里先以连续模式为例并结合TLSTLS4120D0EPV来作整体电路作电感及电容的设计。

电路设计:

随着各式产品在外观尺寸的要求越来越小,于是在电路的设计上也需要越加精简及高度整合的控制IC,在TLSTLS4120D0EPV这类IC可以看到切换开关晶闸管及保护功能等等皆已被整合(如图1)。

输入工作电压范围确认:

使用分压电阻设计所需输出电压:

TLS4120的VFB=0.8V为例, 所以R1及R2可依下列公式來作配置。

工作频率的设定:

在工作频率的设定上,以TLS4120D0EP为例,其只需外部的一颗电阻RFREQ即可以完成设定,具体的设定配置可以参考如下表。所以我们只需选择4.7Kohm来完成400KHz的配置。

电感的设计:

首先在一开关式的稳压器中,除了PWM IC外,最重要不外乎就是电感了。因为在电源能量的转换中,都是透过电感来作控制,也是为何PWM IC的对外驱动,信号的侦测都是由电感的特性来设计。在下列的公式中, 我先将微积的部分简单化后, 会形成右边的一般公式。在下列公式可以看到电流的变化会随着电感L的大小而变化,如果电压及周期固定。

从输入输出电压及工作周期的公式中, 我们可以得到如果频率是320KHz的話,其开关周期及导通时间可以计算如下:Ts=1/400KHz=2.5uS

接着我们可以由下列取得电流的设定值:

如果电感临界电流点设在30%的地方,意即?IL=1.8A.
由上述公式及已知?IL值, 我们可以求得电感值

以上暂时先不考虑开关及二极管的压降。

在计算完电感后,下一步我们就可以来大致的计算输入输出的电容配置。一般来说,电容中有三个最主要的参数值影响其输出阻抗及涟波电压,这三个参数即是等效串联电阻(ESR),等效串联电感及电容值)。而其主要的参数计算公式如下:

输出电容:

?Vo为输出电压的最大变化值

在连续模式的工作下可依下列公式算出最小电容的需求:

输入电容:

在输入电容则较需注意其涟波电流的需求,我们可以以下面的公式去求其最低的电容需求:

在上述的计算中,我们尽量将公式变得简单以期让大家可以先了解开关式稳压器基本的设计方法。在这篇文章中以固定频率连续电流模式的工作原理为例子来作解说,搭配英飞凌TLSTLS4120D0EP参数配置,即可完成简单的直流转直流开关式降压稳压器。在实际的原理工作及控制模式中尚有其它模式叫作变动频率临界电流模式及变动频率固定导通时间非连续电流模式。在未来进一步介绍其他工作模式及设计重点。

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