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用開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)您自己的DC-DC轉(zhuǎn)換器

發(fā)布時(shí)間:2023-06-20 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】通過使用開關(guān)穩(wěn)壓器,可以顯著抑制電路的發(fā)熱量,不僅更節(jié)能,還可以減小散熱器尺寸,從而能夠減小電路規(guī)模并設(shè)計(jì)出低發(fā)熱的電源電路。


通過使用開關(guān)穩(wěn)壓器,可以顯著抑制電路的發(fā)熱量,不僅更節(jié)能,還可以減小散熱器尺寸,從而能夠減小電路規(guī)模并設(shè)計(jì)出低發(fā)熱的電源電路。


用開關(guān)穩(wěn)壓器制作DC-DC轉(zhuǎn)換器


開關(guān)穩(wěn)壓器IC是一種從一定的直流電壓中獲得所需電壓值的電源IC,用于控制開關(guān)式的DC-DC轉(zhuǎn)換器。


還有一種方法是通過使用了齊納二極管或三端穩(wěn)壓器等器件的電路從高電壓產(chǎn)生所需電壓(降壓),但如果需要幾安培的大電流,就需要通過開關(guān)穩(wěn)壓器來降壓了。


比預(yù)期更易用的開關(guān)穩(wěn)壓器IC


用開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)您自己的DC-DC轉(zhuǎn)換器

這次使用的開關(guān)穩(wěn)壓器IC ROHM BD9E301。表面貼裝型SOP8封裝,但也可通過轉(zhuǎn)換板在萬用板上使用。


開關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)


在電源電路中使用開關(guān)穩(wěn)壓器的好處是“效率高”。使用開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)需要一些外置器件才能使用。與三端穩(wěn)壓器不同,它僅憑IC和電容器是無法工作的,這部分因素可能會(huì)給人一種難以下手的印象。

知道開關(guān)式穩(wěn)壓器工作原理的人,可能會(huì)因?yàn)椤氨仨毟缴险袷幤骱途€圈之類的器件才能用,對(duì)吧?”這種先入為主的偏見而不太喜歡開關(guān)穩(wěn)壓器。其實(shí),由于最近的開關(guān)IC中內(nèi)置了大部分功能,因此所需的外置元器件很少,電路設(shè)計(jì)已經(jīng)越來越容易了,不需要花費(fèi)太多的時(shí)間和精力。


雖然用來降低電壓的降壓電路方式有很多種,但使用開關(guān)穩(wěn)壓器的方式可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)80%~95%的轉(zhuǎn)換效率。其他還有使用三端穩(wěn)壓器的方式,但效率通常只有50%以下,功耗浪費(fèi)嚴(yán)重,而且發(fā)熱量非常大。需要將較大負(fù)載連接到降壓電路時(shí),可以通過使用開關(guān)穩(wěn)壓器來創(chuàng)建發(fā)熱量少的節(jié)能型電路。


創(chuàng)建DC-DC轉(zhuǎn)換器電路


現(xiàn)在,我們要使用開關(guān)穩(wěn)壓器IC制作DC-DC轉(zhuǎn)換器了。


這次,我們將使用一款從12V電源的輸入可以輸出5V/2A的DC-DC轉(zhuǎn)換器。這個(gè)輸出規(guī)格的話,可以驅(qū)動(dòng)USB設(shè)備,因此,還可以讓您的自制設(shè)備具備USB充電器功能。


開關(guān)穩(wěn)壓器IC使用ROHM的BD9E301。該IC內(nèi)置有FET,支持最大2.5A的輸出,輸入電壓范圍寬(7~36V),具有可通過外置電阻自由調(diào)整輸出電壓的功能。


用開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)您自己的DC-DC轉(zhuǎn)換器

BD9E301的技術(shù)規(guī)格書。開關(guān)穩(wěn)壓器的技術(shù)規(guī)格書中提供了電路設(shè)計(jì)示例,可以參考示例創(chuàng)建電路。


出處:7.0V~36V 輸入、2.5A 內(nèi)置MOSFET 1ch 同步整流降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器 – BD9E301EFJ-LB(E2) | ROHM Co., Ltd.


在開關(guān)穩(wěn)壓器的技術(shù)規(guī)格書中,除了基本規(guī)格外,還提供了電路設(shè)計(jì)示例和圖案布局示例等內(nèi)容,因此我們將參考技術(shù)規(guī)格書進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。


用開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)您自己的DC-DC轉(zhuǎn)換器

將開關(guān)穩(wěn)壓器IC裝在轉(zhuǎn)換板上之后安裝在萬用板上的樣子。


由于BD9E301是表面貼裝型IC,所以需要通過轉(zhuǎn)換板安裝在萬用板上。使用轉(zhuǎn)換板的話,可能會(huì)因散熱量不足而導(dǎo)致故障,所以在使用轉(zhuǎn)換板時(shí)要注意電流量和發(fā)熱量。


我們根據(jù)技術(shù)規(guī)格書中的應(yīng)用電路,將電子器件焊接到電路板上。由于輸出電壓由R1和R2的分壓電阻之比決定,因此我們將R1設(shè)置為12kΩ,將R2設(shè)置為3kΩ,其他部件使用與技術(shù)規(guī)格書中相同的元器件。


由于開關(guān)電源是在高頻下反復(fù)ON/OFF的電路,因此應(yīng)盡可能將元器件安裝在靠近IC的位置,以免布線距離變長(zhǎng)。從某種意義上講,開關(guān)穩(wěn)壓器的布局是需要格外用心的項(xiàng)目之一。由于技術(shù)規(guī)格書上也提供了基本的布局說明,所以我們將參考其中的元器件布置方案來創(chuàng)建電路。


用開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)您自己的DC-DC轉(zhuǎn)換器

完成的DC-DC轉(zhuǎn)換器的背面。在表面上安裝了DIP器件,在焊接面上安裝了線圈。要實(shí)際安裝的元器件很少,只需要電阻器、幾個(gè)電容器和1個(gè)線圈即可使用開關(guān)穩(wěn)壓器制作DC-DC轉(zhuǎn)換器。


當(dāng)將12V電壓施加到完成的電路時(shí),輸出了5V電壓。由于輸出電壓是通過反饋來維持穩(wěn)定的,因此即使外部電壓波動(dòng),也能始終輸出5V。這個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器IC可輸出高達(dá)(電源電壓 x 0.7V)的電壓,因此理論上即使電壓降至7.2V也能工作。


用開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)您自己的DC-DC轉(zhuǎn)換器

我們已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)5V/2A的電源電路,現(xiàn)在,讓我們將USB引腳連接到輸出部分,以便為USB設(shè)備供電。


用開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)您自己的DC-DC轉(zhuǎn)換器

如果您將USB引腳連接到自制的5V DC-DC轉(zhuǎn)換器,也可以為USB設(shè)備充電。照片中正在為iPad充電。發(fā)熱量出乎意料地小,可以穩(wěn)定充電。


按照這種方式,即使用開關(guān)IC,也能輕松制作出5V輸出的電源電路。在制作電路時(shí),作為附加功能增加USB充電功能可能會(huì)很有趣。


要想將開關(guān)電源做成產(chǎn)品推出,還會(huì)涉及到很多問題,比如PCB布局和是否符合EMI(電磁干擾)相關(guān)法規(guī)。在這里希望大家了解的是,使用開關(guān)穩(wěn)壓器IC可以輕松完成電路設(shè)計(jì)這部分。


創(chuàng)建DC-DC轉(zhuǎn)換器電路


前面也提到過,最近的開關(guān)IC由于外置元器件少,電路設(shè)計(jì)材料也豐富,因此使用它們可以輕松地創(chuàng)建開關(guān)方式的降壓電路。


在實(shí)際的電源電路設(shè)計(jì)中,您是否為不知道該用開關(guān)穩(wěn)壓器好還是用三端穩(wěn)壓器好而煩惱過呢?


開關(guān)穩(wěn)壓器的魅力在于其效率高,但在某些電路應(yīng)用中,這項(xiàng)優(yōu)勢(shì)可能無法充分發(fā)揮出來。例如,在僅使用微控制器和幾個(gè)LED的、電流僅幾十mA的電路中,即使提高效率,也沒有太大的實(shí)用價(jià)值。


此外,開關(guān)式電源的效率會(huì)隨著負(fù)載電流的減小而降低,相反地,三端穩(wěn)壓器的效率則較好,此時(shí)開關(guān)穩(wěn)壓器所需元器件數(shù)量多、噪聲紋波大等缺點(diǎn)就顯得比較突出了。在這種情況下,從整體成本上看,使用三端穩(wěn)壓器更具優(yōu)勢(shì)。


總體而言,不要簡(jiǎn)單地認(rèn)為“開關(guān)穩(wěn)壓器效率高所以更好!”而選擇它,而是要從功耗和電路尺寸等各方面因素綜合考慮來選擇合適的方式,這一點(diǎn)很重要。


用開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)您自己的DC-DC轉(zhuǎn)換器


總結(jié)


當(dāng)聽到“開關(guān)穩(wěn)壓器”這個(gè)詞時(shí),首先讓人想到的可能是“難以操作”,但實(shí)際用它試試看時(shí),您會(huì)發(fā)現(xiàn)其實(shí)并不像想象中的那么麻煩,稍加努力就可以創(chuàng)建出高效的電源電路。


如果您能夠玩轉(zhuǎn)開關(guān)穩(wěn)壓器,除了降壓之外,還可以自由自在地操作電路的電壓(比如升壓、反相、升降壓等),這會(huì)讓您的電路設(shè)計(jì)范圍更寬更廣。


開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的真正難點(diǎn)在于決定元器件配置的圖案布局,以及符合各國(guó)法規(guī)的EMI對(duì)策。其實(shí)如果只是試制級(jí)別的話,很容易就可以做出來。因此,在電子作品制作中,開關(guān)穩(wěn)壓器不失為一個(gè)不錯(cuò)的選擇。


這次我們使用的是表面貼裝型開關(guān)穩(wěn)壓器IC,其實(shí)還有可直接用于萬用板的DIP型IC和內(nèi)置有線圈的開關(guān)穩(wěn)壓器等產(chǎn)品,因此,開關(guān)IC在電子制作中已經(jīng)變得越來越方便使用了。此外,在最新的產(chǎn)品中,還包括輸出電流高達(dá)7A~8A且內(nèi)置FET的產(chǎn)品類型。


對(duì)于正在用三端穩(wěn)壓器和大型散熱器制作電源電路的人,或者正在通過連接DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊制作小物件的人而言,挑戰(zhàn)使用開關(guān)穩(wěn)壓器IC進(jìn)行電路設(shè)計(jì),不失為一個(gè)不錯(cuò)的嘗試。


開關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器的區(qū)別。兩種穩(wěn)壓器各有利弊,所以要物善其用,根據(jù)具體情況區(qū)分選用。三端穩(wěn)壓器屬于線性穩(wěn)壓器。

(文章來源:羅姆半導(dǎo)體集團(tuán))

 

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