精通DC-DC电源转换电路设计：11个关键要素解析

嵌入式工程师通常对单片机、ARM、DSP、FPGA等设备具有熟练的操作能力。然而，在进行系统设计时，为电源系统供电是一项重要的任务。虽然他们可以成功地运行精心设计的程序，但对于新手来说，有时可能会遇到效率低下的问题，例如供电电流不足或过大的问题。接下来颖特新帮助读者轻松掌握DCDC电源转换电路设计，以下是11个要点。

1.DC-DC电源是什么

DC-DC电源电路，也被称为DC-DC转换电路，其主要功能是进行输入输出电压的转换。一般而言，我们将输入电源电压在72V以内的电压变换过程称为DC-DC转换。

常见的电源主要分为两类：车载与通讯系列和通用工业与消费系列。前者使用的电压一般为48V、36V、24V等，后者使用的电源电压一般在24V以下。在不同应用领域中，电压规律有所不同。例如，在PC中常用的电压为12V、5V、3.3V；模拟电路电源常用5V、15V；数字电路常用3.3V等。现在的FPGA、DSP等还采用2V以下的电压，如1.8V、1.5V、1.2V等。

在通信系统中，DC-DC电源电路也被称为二次电源，因为它由一次电源或直流电池组提供一个直流输入电压，经过DC-DC转换后，在输出端获得一个或几个直流电压。

2.DC-DC转换电路分类

DC-DC转换电路主要分为以下三种类型：

1. 稳压管稳压电路；2. 线性（模拟）稳压电路；3. 开关型稳压电路。

3.最简单的稳压管电路设计方案

稳压管稳压电路具有结构简单的优点，然而其带负载能力较差，输出功率较小，通常仅用于为芯片提供基准电压，而不作为电源使用。并联型稳压电路是比较常用的类型。其电路简图如下所示：

在选择稳压管时，可以根据以下估算公式进行：

1. Uz = Vout

2. Izmax = (1.5 - 3) ILmax

3. Vin = (2 - 3) Vout

这种电路结构简单，能够抑制输入电压的扰动。然而，由于受到稳压管最大工作电流的限制，同时输出电压也不能任意调节，因此该电路适用于输出电压不需调节，负载电流小，要求不高的场合。该电路常用作对供电电压要求不高的芯片供电。

4.基准电压源芯片稳压电路

以下是稳压电路的另一种形式，有些芯片对供电电压要求比较高，例如AD DA芯片的基准电压等，这时常用的一些电压基准芯片如TL431、 MC1403 ，REF02等。例如，TL431是一种常用的基准源芯片，具有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。通过使用两个电阻，可以将其输出电压设置为从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。最常用的电路应用如下图所示，此时Vo=（1+R1/R2）Vref。通过选择不同的R1和R2的值，可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出。特别地，当R1=R2时，Vo=5V。

其他的几个基准电压源芯片电路类似。

5.串联型稳压电源的电路认识

串联型稳压电路是直流稳压电源的一种，它是在三端稳压器出现之前比较常用的直流供电方法。其构成包括OP放大器和稳压二极管构成的误差检测电路，如下图所示。在图中，OP放大器的反向输入端子与输出电压的检测信号相连，正向输入端子与基准电压Vref相连。

通过调整R1和R2的比例，可以设定所需的输出电压值。在正常情况下，必有Vref=Vs=Vout*R2/(R1+R2)。然而，如果放大信号ΔVs为负值，控制晶体管的基级电压将下降，从而导致输出电压减小。

虽然图中所示的原理是基本的，但实际上负载大小可以由不同的元件（如达林顿管）来驱动。然而，由于这种串联型稳压电路的处理不当极易产生振荡，因此现在没有一定模拟功底的工程师通常不会采用这种方法，而是直接采用集成的三端稳压电路进行DC-DC转换电路的使用。

​6.线性(模拟)集成稳压电路常用设计方案

线性稳压电路设计方案主要采用三端集成稳压器。三端稳压器分为两种：

1. 固定输出三端稳压器

固定输出三端稳压器的输出电压是固定的，其通用产品有78系列（正电源）和79系列（负电源），输出电压由具体型号中的后面两个数字代表，包括5V、6V、8V、9V、12V、15V、18V、24V等档次。输出电流以78（或79）后面加字母来区分，L表示0.1A，M表示0.5A，无字母表示1.5A，如78L05表示5V 0.1A。

2. 可调输出三端稳压器

可调输出三端稳压器的输出电压是可调的，其代表芯片是LM317（正输出）和LM337（负输出）系列。这类芯片的最大输入输出极限差值为40V，输出电压为1.2V-35V（-1.2V--35V）连续可调，输出电流为0.5-1.5A，输出端与调整端之间电压在1.25V，调整端静态电流为50uA。

在线性集成稳压器中，由于三端稳压器只有三个引出端子，具有外接元件少、使用方便、性能稳定、价格低廉等优点，因而得到广泛应用。

7.DCDC转换开关型稳压电路设计方案

上面所述的几种DCDC转换电路都属于串联反馈式稳压电路，在此种工作模式中集成稳压器中调整管工作在线性放大状态，因此当负载电流大时，损耗比较大，即转换效率不高。因此使用集成稳压器的电源电路功率都不会很大，一般只有2-3W，这种设计方案仅适合于小功率电源电路。

采用开关电源 芯片设计的DCDC转换电路转化效率高，适用于较大功率电源电路。目前得到了广泛的应用，常用的分为非隔离式的开关电源与隔离式的开关电源电路。

DCDC转换开关型稳压电路设计方案，采用开关电源芯片设计的DCDC转换电路转化效率高，适用于较大功率电源电路。目前得到了广泛的应用，常用的分为非隔离式的开关电源与隔离式的开关电源电路。当然开关电源基本的拓扑包括降压型、升压型、升降压型及反激、正激、桥式变化等等。

8.非隔离式DCDC开关转换集成电路芯片电路设计方案

DCDC开关转换集成电路芯片，这类芯片的使用方法与第六条中的LM317非常相似，这里用L4960举例说明，一般是先使用50Hz电源变压器进行AC-AC变换，将～220V降至开关电源集成转换芯片输入电压范围比如1.2～34V，由L4960进行DC-DC变换，这时输出电压的变化范围下可调至5V，上调至40V，最大输出电流可达2.5A(还可以接大功率开关管进行扩流)，并且内设完善的保护功能，如过流保护、过热保护等。

尽管L4960的使用方法与LM317差不多，但开关电源的L4960与线性电源的LM317相比，效率不可同曰而语，L4960最大可输出100W的功率(Pmax=40V*2.5A=100W)，但本身最多只消耗7W，所以散热器很小，制作容易。

与L4960类似的还有L296，其基本参数与L4960相同，只是最大输出电流可高达4A，且具有更多的保护功能，封装形式也不一样。这样的芯片比较多，比如，LM2576系列，TPS54350，LTC3770等等。一般在使用这些芯片时，厂家都会详细的使用说明和典型电路供参考。

9.隔离的DCDC开关电源模块电路设计方案

常用的隔离DC-DC转换主要分为三大类：

1.反激式变换；2.正激式变换；3.桥式变换

常用的单端反激式DC-DC变换电路，这类隔离的控制芯片型号也不少。控制芯片典型代表是常用的UC3842系列。这种是高性能固定频率电流的控制器，主要用于隔离AC/DC、DC-DC转换电路。其主要应用原理是：电路由主电路、控制电路、启动电路和反馈电路4 部分组成。

主电路采用单端反激式拓扑，它是升降压斩波电路演变后加隔离变压器构成的，该电路具有结构简单，效率高，输入电压范围宽等优点。控制电路是整个开关电源的核心，控制的好坏直接决定了电源整体性能。这个电路采用峰值电流型双环控制，即在电压闭环控制系统中加入峰值电流反馈控制。

这类方案选择合适的变压器及MOS管可以把功率做的很大，与前面几种设计方案相比电路结构复杂，元器件参数确定比较困难，开发成本较高，因此需要此方案时可以优先选择市面上比较廉价的DC-DC隔离模块。

10.DCDC开关集成电源模块方案

很多微处理器和数字信号处理器(DSP)都需要内核电源和一个输入/输出(I/O)电源，这些电源在启动时必须排序。设计师们必须考虑在加电和断电操作时内核和I/O电压源的相对电压和时序，以符合制造商规定的性能规格。

如果没有正确的电源排序，就可能出现闭锁或过高的电流消耗，这可能导致微处理器I/O端口或存储器、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)或数据转换器等支持器件的I/O端口损坏。为了确保内核电压正确偏置之前不驱动I/O负载，内核电源和I/O电源跟踪是必需的。

现在有专门的电源模块公司量身定做 一些专用的开关电源模块，主要是那些对除去常规电性能指标以外，对其体积小，功率密度高，转换效率高，发热少，平均无故障工作时间长，可靠性好，更低成本更高性能的DC-DC电源模块 。

这些模块结合了实现即插即用(plug-and-play)解决方案所需的大部分或全部组件，可以取代多达40个不同的组件。这样就简化了集成并加速了设计，同时可减少电源管理部分的占板空间。

最传统和最常见的非隔离式DC-DC电源模块仍是单列直插(SiP)封装。这些开放框架的解决方案的确在减少设计复杂性方面取得了进展。然而，最简单的是在印刷电路板上使用标准封装的组件。

11.DCDC电源转换方案的选择注意事项

①需要注意的是，稳压管稳压电路不能作为电源使用，只能用于没有功率要求的芯片供电。

②线性稳压电路结构简单，但由于转化效率较低，因此只能用于小功率稳压电源中。

③开关型稳压电路具有较高的转化效率，可以应用于大功率场合，但其局限性在于电路结构相对复杂（尤其是大功率电路），不利于小型化。因此，在设计过程中，应根据实际需要选择合适的设计方案。