电源系统——DCDC降压变换器设计步骤

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前言

DCDC降压变换器设计步骤总结

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一、需求是什么

以抛弃式声速仪充电电路为例
需求提炼：24V输入，5V1.5A输出

二、设计步骤

1.选择开关电源转换器

D=V_o/V_IN
开关最小额定值电压V_IN（高20%）
开关最小额定值电流I_o×（1-D）（至少等于，最好两倍于）
根据最小额定值选择一款开关电源转换器，并根据转换器确定开关频率

根据需求选择LM2596作为开关控制器
LM2596：3.3V、5V、12V 和可调输出版本
输出负载电流为 3A（Io电流，不是开关电流）
输入电压范围高达 40V
150kHz 固定频率内部振荡器

其余参数请参照芯片数据手册

2.电感选型

（1）对于降压变换器，需要从Vin_max开始设计电感
（2）降压变化期占空比D=Vo/Vin=5/24=0.208（最好在20%~80%之间）
（3）周期为1/f=1/150kHz=6.67us
（4）关断时间T_off为（1-D）T=（1-0.208）6.67=5.283
（5）伏秒积（用关断时间算）为VoT_off=55.283=26.417
（6）r取值0.3-0.4，这里取r为0.3，则LI=ET/r=VoT_off/r=88.05uH·A
（7）这里负载为1.5A，I_L=Io=1.5A
（8）因此，需要L=58.7uH
（9）电感电流额定值必须不小于（1+r/2）I_L=1.151.5=1.725A
综上所述，需要一个58.7uH/1.725A的（或最接近这个值的）电感

3.二极管选型

选择二极管的经验法则是：
额定电流至少等于（最好至少两倍于）下述最大平均二极管电流（这是为了降低损耗，因其正向压降随额定电流增加而大幅减少）：
降压变换器最大二极管电流为Io×（1-Dmin）
通常，选择的额定电压要比下述最大二极管电压高出至少20%（降压80%，留出安全裕量）
最大二极管电压为V_INMAX
要看频率，最好选择肖特基二极管

4.输入输出电容选型

输出电容的选择经验是：额定纹波电流要等于或大于上述计算的输出电容最大有效值电流，电容电压要至少高于V_O20%-50%，钽电容最好高于一倍。输出电压纹波等于Io×rDMIN×ESR，接数字电路时最好要小于100mV，输出电容的容值一般几百至上千uF

降压变换器输入电容最大有效值电流出现在D=0.5时，如果0.5不在范围内，选择最接近的输入值。

输入电容经验是：额定纹波电流要等于或大于上述计算的输出电容最大有效值电流，电容电压要至少高于20%-50%，钽电容最好高于一倍。Io*(1+rDMAX/2)*ESR要小于Vin的±5%~±10%以下。

一般电源的输入用铝电解电容，耐冲击电流能力强

输出用钽电容和陶瓷电容，滤波效果好

为啥这两种电容滤波效果好：esr、esl小