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文檔簡介
項目2供電電路設(shè)計
任務(wù)2DC-DC電源模塊的使用任務(wù)描述隔離控制器中采用DC12V作為電源輸入,其內(nèi)部工作電壓為5V和3.3V,并要求采用隔離電源抗干擾,任務(wù)中選擇合適的DC-DC部件,完成隔離控制器供電部分設(shè)計。通過任務(wù)實施,讀者可以掌握相關(guān)芯片手冊、供電電路參數(shù)的認知,通過實踐掌握嵌入式系統(tǒng)中供電電路的設(shè)計和調(diào)試。知識儲備一、開關(guān)電源芯片技術(shù)規(guī)格電源芯片的技術(shù)規(guī)格解讀非常重要。近年來一般的電源設(shè)計實質(zhì)上是以電源芯片為中心進行的設(shè)計,不讀電源芯片的技術(shù)規(guī)格就無法進行電源供電設(shè)計。1.技術(shù)規(guī)格的封面技術(shù)規(guī)格的封面除了其電源芯片的概述、特長、用途等之外,也記載了最初應(yīng)知道的種種事項。記載的項目或順序會因廠商而有些微差異,不過基本上所涵蓋的項目大致相同。但是,從內(nèi)容相關(guān)細節(jié)或最初應(yīng)知道的項目等可以隱約看出廠商的姿態(tài)或特征。1.技術(shù)規(guī)格的封面因此,技術(shù)規(guī)格的封面是相當重要的一頁。以下述技術(shù)規(guī)格的封面為例,首先從“標題”可以大致明白何種電源芯片;“概述”的說明則會稍微具體一些;“特長”則進一步分條列舉,明示所搭載的功能或代表性規(guī)格;“重要特性”一項,列出電源芯片首先應(yīng)該確認的規(guī)格,就算沒有詳細的規(guī)格值表也可以知道最低限度的必要基本項目值。部分芯片封面還包括了封裝信息、安裝空間等示意圖,這些都能幫助讀者確認是否要采用該芯片。此外,封面中所示用途和基本應(yīng)用電路可以讓讀者確認是否適合應(yīng)用于自己的電路設(shè)計。1.技術(shù)規(guī)格的封面在開始時認真閱讀芯片規(guī)格書的封面,可以掌握很多必要信息,往后的問題就會少一些。隔離控制器的設(shè)計中所采用的電源芯片LM5007的芯片手冊封面如圖2-34所示。1.技術(shù)規(guī)格的封面圖2-34LM5007技術(shù)規(guī)格封面1.技術(shù)規(guī)格的封面從技術(shù)規(guī)格的封面雖然可以快速掌握概述,不過還是有很多注意事項需要掌握。比如,記載的特性值沒有明記是否為最大值或最小值等保證值、標準值(Typ)時,必須以規(guī)格值表確認。以封面所書寫的值開始設(shè)計后,由于該項目只有標準值沒有保證值也可能導(dǎo)致設(shè)計障礙,在設(shè)計中務(wù)必記得在規(guī)格值表或功能說明一項中確認規(guī)格細節(jié)。2.框圖技術(shù)規(guī)格大多有刊載圖標該芯片內(nèi)部構(gòu)造的框圖??驁D可以概略知道內(nèi)部有何種功能模塊、以何種流動輸出等。此外,框圖一般會伴隨各功能模塊的工作說明或引腳的功能說明。這些是了解工作的重要信息,圖2-35是LM5007芯片的功能框圖。圖2-35LM5007內(nèi)部框圖2.框圖表則是LM5007芯片的引腳功能表。3.絕對最大額定和推薦工作條件技術(shù)規(guī)格有時會顯示絕對最大額定和推薦工作條件。表2-5是絕對最大額定的定義和推薦工作條件的參數(shù)表。表2-5絕對最大額定值3.絕對最大額定和推薦工作條件其中絕對最大額定的定義是即使一瞬間也不能超過的界限值,而且如果有規(guī)定兩個項目以上規(guī)格值時,任何兩個項目都不得同時到達的界限值。表2-5絕對最大額定值3.絕對最大額定和推薦工作條件規(guī)格書中的推薦工作條件是芯片建議的合適工作場景,LM5007芯片的推薦工作條件見表2-6。推薦工作范圍為保證正常工作的規(guī)定,使用上必須確實遵守這種條件。表2-6推薦工作條件4.電氣特性的要點技術(shù)規(guī)格中必定會有顯示芯片特性及其保證值的規(guī)格值表。設(shè)計時雖然會參考標準值(type),但可惜的是所有條件都匹配標準值。因此,規(guī)格值表的值可以理解其數(shù)值為何種條件、是否為最小值或最大值等保證值。表2-7為規(guī)格值表的參考,在列出的條件下可以保證記載的值,但是條件只要稍微不同便無法保證。表2-7LM5007部分電氣特性表4.電氣特性的要點另外,應(yīng)該思考芯片特性值和應(yīng)用電路特性值的關(guān)系。必須理解的是,電源芯片的規(guī)格值并非為直接使用該芯片的特性值。例如,作為輸出電壓設(shè)定基準的FB引腳電壓(有些廠商稱為參考電壓)基本上有規(guī)定并保證最大值和最小值,見表2-8。表2-8LM5007FB引腳參數(shù)4.電氣特性的要點表2-8中所列的信息,是決定輸出電壓的重要特性值。近年來開關(guān)電源用芯片雖然FB引腳電壓大多具有±1%的高精度,但是在連接分壓電阻后設(shè)定輸出電壓時輸出精度無法保證±1%。簡而言之,使用電阻值和FB引腳電壓公稱值所計算的輸出電壓,只要有電阻和FB引腳電壓的容許差,除非偶然否則絕對不會如計算值所示。4.電氣特性的要點因此,規(guī)格值是電源芯片的特性值,架構(gòu)電路時會有所呈現(xiàn),但必須知道的是并非可以原封不動獲得該值或特性。5.特性圖表、波形的看圖方法技術(shù)規(guī)格除了規(guī)格值表外,也有刊載特性圖。原因在于規(guī)格值表的數(shù)值是指定條件中某一點值,且因無法得知幅度或傾向、對多個條件的變化等連續(xù)特性而加以補充。此外,規(guī)格值方面,圖表可以顯示未規(guī)定的特性或電路的特性。這里要提及的不只是規(guī)格值表的數(shù)值,也提醒務(wù)必在檢查圖表并了解傾向或連續(xù)特性后再進行設(shè)計。圖表可以說是設(shè)計不可或缺的。5.特性圖表、波形的看圖方法圖2-36表示效率和輸出電流的關(guān)系。此圖表在開關(guān)穩(wěn)壓器芯片的技術(shù)規(guī)格中經(jīng)常可以看見。電源芯片規(guī)格值表一般都沒有效率項目,更別說是羅列最大/最小值,就連標準值也沒有顯示。也就是說,效率是并未被保證的特性。但在規(guī)格書中類似圖2-36中可以獲得參考信息。圖2-36轉(zhuǎn)換效率5.特性圖表、波形的看圖方法由圖2-36可以想象本身電路負載電流可得到的效率,效率曲線也是選擇電源芯片時的重要檢查點。圖2-36轉(zhuǎn)換效率5.特性圖表、波形的看圖方法技術(shù)規(guī)格除了圖表外,有時也顯示工作時的波形等。其主旨基本上與圖表相同,目的在于提示規(guī)格值表中難以提示的特性。如圖2-37所示。圖2-37開關(guān)波形5.特性圖表、波形的看圖方法圖2-37表示的是示波器畫面所顯示的波形。縱向為電壓而橫向為時間軸。所表示的是開關(guān)節(jié)點的ON/OFF波形和輸出呈現(xiàn)的紋波電壓。從輸出電壓波形可以讀取紋波電壓。仔細看的話,可以讀取到如果開關(guān)波形H時紋波會上升,L時則下降。此外,也可知道紋波頻率基本上也與開關(guān)頻率相同,也即同步??梢栽谠O(shè)計電路中和相同節(jié)點的波形做比較,以用作電路設(shè)計優(yōu)化的目標。6.應(yīng)用電路實例電源芯片的技術(shù)規(guī)格基本上都有刊載其芯片的應(yīng)用電路實例。沒有刊載時,應(yīng)該會另外以應(yīng)用備忘錄等名稱備有應(yīng)用電路實例的補充數(shù)據(jù)。目的在于希望通過顯示其芯片的使用標準電路實例,讓大家可以利用作為設(shè)計的出發(fā)點。所刊載的應(yīng)用電路實例大多已架構(gòu)實際電路并確認工作,有時芯片廠商還同時備有其電路的評估板。開關(guān)穩(wěn)壓器芯片所使用的電路構(gòu)造,一般只要變更外置部件的常量即可符合要求規(guī)格。如果需要進一步的調(diào)整時,如能利用基本應(yīng)用電路例或評估板一面修改一面進行評估,則可以極大縮短設(shè)計和評估時間。6.應(yīng)用電路實例圖2-38的電路圖是開關(guān)穩(wěn)壓器芯片LM5007的技術(shù)規(guī)格書中的實例。圖2-38LM5007典型電路6.應(yīng)用電路實例此外,視技術(shù)規(guī)格而定,有時會以代表性輸出電壓為主提供各外置部件的常量或型號。針對LM5007的應(yīng)用電路例基本上可以依照從圖中部件參數(shù)來進行設(shè)計。表2-9是圖2-38對應(yīng)的設(shè)計參數(shù):表2-9LM5007典型電路設(shè)計參數(shù)6.應(yīng)用電路實例除了電路例之外,有些廠商芯片有時還會包含輸出電壓等根據(jù)設(shè)定值的部件常量一覽信息。但不可能所有應(yīng)用需求都被這些表所包含,因此,技術(shù)規(guī)格會刊載芯片功能或設(shè)定使用的方法、必要外置部件的選定方法、常量決定的計算公式等。6.應(yīng)用電路實例如技術(shù)規(guī)格中關(guān)于輸出電壓的說明,如果想要調(diào)整實例電路中的輸出電壓,就需要用到規(guī)格書中計算公式(2-3)。6.應(yīng)用電路實例有時規(guī)格書中還會對設(shè)計所涉及的功能工作方式進行詳細說明,而后再給出計算公式并加以說明,這對設(shè)計來說是非常重要的。想要讓工作或特性優(yōu)化的話,不事先理解這些內(nèi)容,就無法進行合理的設(shè)計或調(diào)整。7.電路板布局有時依照技術(shù)規(guī)格所載的電路圖、部件編組,電路卻無法工作。在沒有簡單連線錯誤等前提下,此種問題大多起因于電路板布局。現(xiàn)在開關(guān)電源設(shè)計已相當普及,電路板布局在開關(guān)電源設(shè)計中極為重要。不過,如果制作印刷電路板時布線結(jié)構(gòu)不適當,就會產(chǎn)生大峰波,有些情況下會有甚至會損壞芯片。為了不發(fā)生這種麻煩,技術(shù)規(guī)格或應(yīng)用手冊會給出電路板布局實例。因大多為雙面基板,所以一般是雙面布局的范例,有時更進一步直接提供制作電路板可使用的電子文件(光繪文件等)。7.電路板布局為了發(fā)揮開關(guān)電源所期待的性能和特性,需要適當?shù)碾娐钒宀季帧T趯嶋H設(shè)計電路板布局時可以參考如圖2-39所示的技術(shù)規(guī)格的相關(guān)信息頁。二、線性穩(wěn)壓器技術(shù)規(guī)格上文以LM5007為例介紹了開關(guān)電源芯片的規(guī)格書資料,隔離控制器中利用LM5007完成DC12V到DC5V的電壓轉(zhuǎn)換,但還需要利用LDO芯片完成DC5V到DC3.3V的電壓轉(zhuǎn)換,這里采用1117系列的線性穩(wěn)壓芯片完成,該系列芯片有很多廠家生產(chǎn),其產(chǎn)品規(guī)格細節(jié)上有所不同,但大體功能都差不多,這里以EZ1117為例給出線性穩(wěn)壓器技術(shù)規(guī)格的介紹。1.規(guī)格書封面
EZ1117是一種高效線性穩(wěn)壓器,后置穩(wěn)壓器,其規(guī)格書封面如圖2-40所示,給出了簡介和特性,同時也給出了這一系列穩(wěn)壓器的多種規(guī)格和可能的輸出電壓。2.框圖EZ1117的功能框圖如圖2-41所示,從中可看出穩(wěn)壓器的引腳功能。3.電氣特性其電氣特性在規(guī)格書中有詳細列表,如表2-10所示。4.典型電路規(guī)格書中列有EZ1117的典型應(yīng)用電路,能幫助用戶更方便地設(shè)計供電電路,如輸出3.3V的實例電路如圖2-42所示。4.典型電路在需要的時候,選擇輸出電壓可調(diào)規(guī)格的EZ1117,在設(shè)置好配置電阻后可獲得需要的輸出電壓,如圖2-43所示。5.規(guī)格封裝EZ1117有兩種規(guī)格封裝,在規(guī)格書中有封裝的名稱和相應(yīng)的機械尺寸,在實際設(shè)計基板時需要參考這部分資料,封裝規(guī)格如圖2-44所示,(a)為SOT-223貼片封裝,(b)為TO-263貼片封裝。
圖2-44EZ1117規(guī)格封裝(a)SOT-223(b)TO-263課堂思考隔離控制器工作時輸入電壓先轉(zhuǎn)換成5V,再轉(zhuǎn)換成3.3V,能否直接轉(zhuǎn)換為3.3V工作?
三、隔離DC-DC電源模塊隔離DC-DC電源模塊是指隔離電源是使用變壓器將各種不同電壓(如:220VAC,48VDC,24VDC,12VDC等)通過變壓器將電壓降到所需要的電壓,然后作為負載供電使用。非隔離電源模塊是將各種不同電壓(如:220VAC,48VDC,24VDC,12VDC等)直接引入到電子電路,再通過電子元件進行升降壓輸出,輸入輸出是通過電子元件直接連接的,中間并沒有經(jīng)過變壓器等帶隔離性的器件,所以稱非隔離電源模塊。
1.安全性作為一個讓最終用戶能安全使用的產(chǎn)品,工程師在設(shè)計電源方案時一般都會考慮系統(tǒng)的絕緣以及隔離的可靠性。相比之下,DC-DC隔離電源模塊相比非隔離電源模塊安全性更高一些。
2.效率非隔離電源模塊由于少了變壓的磁電轉(zhuǎn)換所損失的能量,所以效率一般較高,行業(yè)中大多電源廠家的非隔離電源模塊的效率都能達到91%以上。相比之下,DC-DC隔離電源模塊一般效率都在88%以下,所以DC-DC隔離電源模塊發(fā)熱相對來說會比非隔離電源模塊的大。
3.成本與體積非隔離電源模塊由于不需要采用變壓器進行輸入輸出之間的電氣隔離,所以相比DC-DC隔離電源模塊,同樣的輸出功率,同樣的輸出性能(如輸出精度,負載效應(yīng),動態(tài)響應(yīng)等),非隔離電源模塊所需要的體積更小,成本更低,設(shè)計難度更小。如果說設(shè)計上可以考慮輸入輸出之間不隔離,相比DC-DC隔離電源模塊,采用非隔離電源模塊來進行設(shè)計那可以說是工程師的首選。
4.帶載范圍DC-DC隔離電源模塊的輸出帶載范圍小于非隔離電源模塊帶載范圍。一般來講DC-DC隔離電源模塊的輸出帶載范圍為30-42V,非隔離電源模塊帶載范圍可以為30-84V。
5.規(guī)格書封面以MAU200系列的隔離電源模塊為例,其規(guī)格書如圖2-45所示。圖中可以看到隔離DC-DC器件的外觀,但需要說明的是隨著器件規(guī)格的不同,以及生產(chǎn)廠家的不同,其外觀封裝也會有差異,在使用時需要以具體器件型號的規(guī)格書為參考。圖中也羅列了同廠家同系列產(chǎn)品的型號和參數(shù),其數(shù)量很多,用戶需要依據(jù)自己的需要選擇相應(yīng)產(chǎn)品。
6.電氣參數(shù)隔離電源的規(guī)格書中會提供基本的電氣參數(shù),見表2-11。表2-11給出規(guī)格書中部分電氣參數(shù),從中可以看出這種型號的DC-DC隔離模塊可以做到60秒耐壓3000V。在圖中沒有截取的部分還包括輸入輸出相關(guān)的電氣參數(shù),在做產(chǎn)品設(shè)計時需要仔細參考其數(shù)值。
表2-11部分電氣參數(shù)7.機械封裝DC-DC隔離模塊的機械封裝不同于普通芯片,其體積較大,在設(shè)計電路時需要仔細參考其規(guī)格
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