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?摘要:本文详细介绍了常用DCDC电源电路的方案设计。首先阐述了DCDC电源电路的基本原理和应用场景,接着针对不同的应用需求,如降压、升压、升降压等,分别给出了具体的电路设计方案,包括电路拓扑结构、关键元器件选型及参数计算等,并对各方案的优缺点进行了分析。最后通过实际案例展示了如何根据具体要求选择合适的DCDC电源电路方案,旨在为相关电子工程师在电源电路设计中提供参考和指导。
一、引言
在电子设备中,电源电路是至关重要的组成部分。DCDC电源电路能够将一种直流电压转换为另一种直流电压,具有效率高、体积小、输出电压稳定等优点,广泛应用于各种电子设备,如手机、平板电脑、笔记本电脑、工业控制设备等。合理设计DCDC电源电路对于保证电子设备的正常运行和性能优化起着关键作用。
二、DCDC电源电路基本原理
DCDC电源电路主要基于电感和电容的能量存储与释放特性来实现电压转换。其核心是通过控制开关管的导通和关断,使电感在不同阶段存储和释放能量,从而改变输出电压。常见的DCDC电路拓扑结构有降压型(Buck)、升压型(Boost)、升降压型(Buck-Boost)等。
(一)降压型(Buck)电路原理
降压型电路是将较高的输入电压转换为较低的输出电压。其工作过程如下:当开关管导通时,输入电压施加在电感上,电感电流线性上升,电能以磁场能的形式存储在电感中;当开关管关断时,电感释放能量,二极管导通,电感电流通过负载形成回路,为负载提供能量。通过控制开关管的占空比,可以调节输出电压的大小。
(二)升压型(Boost)电路原理
升压型电路则是将较低的输入电压转换为较高的输出电压。工作时,开关管导通,输入电压给电感充电,电感电流上升;开关管关断时,电感释放能量,与输入电压叠加后通过二极管给电容充电,从而使输出电压高于输入电压。同样通过控制开关管的占空比来调整输出电压。
(三)升降压型(Buck-Boost)电路原理
升降压型电路能够根据需要实现输出电压高于或低于输入电压。当开关管导通时,电感储能;开关管关断时,电感释放能量,通过二极管和电容等元件的配合,可实现输出电压与输入电压大小和极性的灵活调整。
三、常用DCDC电源电路方案设计
(一)降压型(Buck)电源电路方案
1.电路拓扑结构
典型的降压型电路拓扑如图1所示,主要由开关管(MOSFET或BJT)、电感、二极管、电容等组成。

图1降压型电路拓扑
2.关键元器件选型及参数计算
-开关管:根据输入电压、输出电流和开关频率等参数选择合适的MOSFET或BJT。例如,对于输入电压为12V,输出电流为2A,开关频率为100kHz的应用,可选用耐压为20V以上、导通电阻较小的N沟道MOSFET。
-电感:电感值的选择影响着电路的纹波系数和瞬态响应。一般可根据公式$L=\frac{V_{IN}(1-D)}{f_{SW}\DeltaI_{L}}$来计算电感值,其中$V_{IN}$为输入电压,$D$为占空比,$f_{SW}$为开关频率,$\DeltaI_{L}$为电感电流纹波。假设输入电压为5V,占空比为0.5,开关频率为500kHz,电感电流纹波为0.5A,则电感值$L=\frac{5\times(1-0.5)}{500k\times0.5}=5\muH$。实际选型时,可选用略大于计算值的标准电感,如6.8μH。
-二极管:选择耐压大于输入电压、正向电流大于负载电流的肖特基二极管或快恢复二极管。如对于上述应用,可选用耐压为20V、额定电流为3A的肖特基二极管。
-输出电容:输出电容主要用于滤波,减小输出电压纹波。电容值可根据公式$C=\frac{\DeltaQ}{V_{OUT}\DeltaV}$计算,其中$\DeltaQ$为负载电流变化时电容提供或吸收的电荷量,$V_{OUT}$为输出电压,$\DeltaV$为允许的输出电压纹波。例如,负载电流变化范围为0-2A,输出电压为3.3V,允许纹波为50mV,则电容值$C=\frac{2\times1}{3.3\times0.05}\approx120\muF$。实际可选用多个陶瓷电容并联,如100μF+22μF。
3.优缺点分析
-优点:效率较高,输出电压稳定,纹波系数小,适用于需要将高电压转换为低电压且负载电流较大的场合。
-缺点:输出电压不能高于输入电压,电路结构相对简单,功能灵活性有限。
(二)升压型(Boost)电源
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