电源硬件设计

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电源硬件设计

2024-07-08 03:53| 来源: 网络整理| 查看: 265

1 升压变换工作原理 1.1 升压电路实例

TPS61089升压转换器,典型应用电路如图所示:

转换器特性:

输入电压范围:2.7V至12V输出电压范围:4.5V至12.6V效率高达90%(Vin=3.3V、Vout=9V且Iout=2A时)可调节开关频率范围:200kHZ至2.2MHz

在这里插入图片描述

电路图来自TPS61089官方数据手册

TPS61089升压电路实例:

外围需要电感和电容来储能和放能需要两个电阻来设定输出电压一个输入电源一个逻辑信号来时能或关断 1.2 升压的工作原理

升压(Boost)变换器拓扑如图所示: 在这里插入图片描述

升压的工作原理:

利用电感产生的感应电动势,输出电压是输入电压+电感上的感应电动势前半周电感的电流增加,感应电动势正负如图所示,电感里储能增加

Alt

后半周电感的电流减少,感应电动势正负如图所示,电感里储能减少,电感对外放出能量

Alt

开关Q1是主开关,开关Q2是整流开关,Q2可以用单向导电的二极管代替。当Q2是一个MOSFET开关的时候,在前半周,Q2必须断开以防止电流从输出通过Q2和Q1倒流到地。当Q2是个二极管,二极管的单向导电特性自动防止了电流的倒流 1.3 升压变换稳态方程

电感和电容方程: 在这里插入图片描述

一个周期内电感上的平均电压为0(伏秒平衡): 在这里插入图片描述

开关占空比D: 在这里插入图片描述

电感纹波电流: 在这里插入图片描述

一个周期内电容上的平均电流为0(安秒平衡): 在这里插入图片描述

输出电容上的电压纹波: 在这里插入图片描述

1.4 稳态工作时的波形

升压(Boost)变换器拓扑如图所示: 在这里插入图片描述

输入电压:直流开关节点的电压:方波电感电流:随时间连续的增加或减少(CCM)输出电压:直流电压上叠加了纹波输出电容上的电流:1、前半周,以IOUT对负载放电;2、后半周,电感电流减去IOUT对电容充电

稳态工作时的电压和电流波形,如图所示:

在这里插入图片描述

2 功率器件选型 2.1 功率电感选型

选型时主要考虑的电感参数:

电感值电感饱和电流,饱和电流大于最大峰值电流电感温升电流,温升电流大于最大平均电流直流电阻(DCR),DCR低的电感,损耗小

数据手册中推荐的电感值范围:

在这里插入图片描述

数据手册中推荐的电感型号:

在这里插入图片描述

2.2 陶瓷电容选型

选型时主要考虑的电容参数:

电容值额定电压温度范围

数据手册中推荐的输出电容值范围:

在这里插入图片描述

2.3 外围器件建议

TPS61089数据手册外围器件建议及典型应用如图:

在这里插入图片描述

2.4 开关器件选型

选型时主要考虑的开关器件参数:

开关器件的耐压开关器件电流能力热特性,1、开关损耗和导通损耗;2、器件的热阻;3、环境温度和散热条件 3 PCB布板 3.1 PCB布板的影响

PCB布板不良对电路的影响:

电路无法正常工作电路损坏电磁辐射(EMI)过高 3.2 电路的关键路径

升压电路的关键路径和节点,如图所示:

Alt

功率电路中电流断续的路径功率电路中电压剧烈变化的节点控制电路中高输入阻抗的节点,1、逻辑电平输入节点;2、模拟电压输入节点缩短电流断续路径,较少包围面积防止SW节点干扰其他节点防止高输入阻抗节点接近SW或其他干扰源 3.3 PCB布板步骤

TPS61089升压电路原理图如图所示:

Alt

TPS61089升压电路PCB布板步骤:

放置和连接输出电容

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放置和连接电感和输入电容

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放置和连接模拟输入电路

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放置和连接数字输入电路

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信号地连接和铺地 Alt TPS61089升压电路完整PCB板,如图所示: Alt 3.4 PCB布板建议

TPS61089数据手册PCB布板建议,如图所示:

Alt

4 电气参数 4.1 输入和输出电压

芯片的输入电压:指芯片能够正常工作的输入电压范围

输入的最低电压:芯片的钱呀保护点决定输入的最高电压:芯片内部的输入引脚最高耐压值决定

芯片的输入电压:一般通过反馈引脚的分压电阻网络来设定

输出电压的最低值:芯片的工作特性相关,可能是最小占空比或芯片的最小工作电压输出电压的最高值:芯片输出引脚端耐压值决定

TPS61089数据手册中部分电气参数,如图所示:

Alt

4.2 峰值和谷值电流

峰值电流:电感电流的最高值,一般检测下管电流实现 Alt

谷值电流:电感电流的最低值,一般检测上管电流实现 Alt

4.3 效率 效率的定义:效率=输出功率/输入功率主要损耗:1、开关器件开关损耗;2、开关器件导通损耗;3、电感损耗 4.4 导通电阻 导通电阻: 功率管的开通状态下两端的电阻,流过电流时会产生损耗

TPS61089数据手册中导通电阻参数,如图所示:

Alt

4.5 静态电流 静态电流: 芯片开关不工作的时候,芯片内部电路消耗的电流。芯片使能后的待机功耗由静态电流决定,包括从输入侧和输出侧两部分消耗的电流

TPS61089数据手册中静态电流参数,如图所示:

Alt

实际应用中测量芯片的静态电流: 1、首先把FB引脚接到比反馈电压高的外置电源,使芯片内部的来管切换关闭;2、分别在输入侧和输出侧接电源和电流表,测量两侧消耗的静态电流

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