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如何设计一个好的开关电源模块

2020-12-15

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首先要评估系统的模块电源需求

对于电子系统,模块电源需求不仅仅是关心输入电压、输出电压和电流,还要考虑功耗,电源效率,电源对负载变化的瞬态响应能力,关键器件对电源波动的容忍范围,允许的电源纹波以及散热问题等等。功耗和效率是密切相关的,效率高了,在负载功耗相同的情况下总功耗就少。对比LDO和开关电源模块,开关电源模块的效率要高一些。在看满负载的电源电路效率时,也要关注轻负载的效率。

 

至于负载瞬态响应能力,对于一些高性能的CPU应用就会有严格的要求,因为当CPU突然开始运行繁重的任务时,需要的启动电流是很大的。如果电源电路响应速度不够,造成瞬间电压下降过多过低,会造成CPU运行出错。散热问题对于那些大电流电源和LDO来说比较重要,通过计算也是可以评估是否合适。

 

如何选择合适的电源模块电路?

根据分析系统需求得出的具体技术指标,可以来选择合适的电路了。一般对于弱电部分,包括了LDO(线性电源转换器)、开关电源电容降压转换器和开关电源电感电容转换器。相比之下,LDO设计最易实现,输出纹波小,但缺点是效率不高,发热量大,可提供的电流相较开关电源不大。而开关电源电路设计灵活,效率高,但纹波大,实现比较复杂,调试比较烦琐。

 

如何为开关电源模块选择合适的元器件和参数?

很多未使用过模块电源设计的工程师会对它产生一定的畏惧心理,比如担心开关电源模块的干扰问题、PCBlayout问题、元器件的参数和类型选择问题。其实只要了解了,使用设计是非常方便的,不仅简化了PCB设计,而且设计的灵活性更强。开关控制器基本上就是一个闭环的反馈控制系统,所以一般都会有一个反馈输出电压的采样电路以及反馈环的控制电路。因此这部分的设计在于保证精确的采样电路,还有来控制反馈深度,如果反馈环响应过慢的话,对瞬态响应能力是会有很多影响的。

 

输出部分设计包含了输出电容、输出电感以及MOSFET等等,这些的选择基本上就是要满足一个性能和成本的平衡,比如高的开关频率就可以使用小的电感值(意味着小的封装和便宜的成本),但是高的开关频率会增加干扰和对MOSFET的开关损耗,从而效率降低。使用低的开关频率带来的结果则是相反的。对于输出电容的ESRMOSFETRds_on参数选择也是非常关键的,小的ESR可以减小输出纹波,但是电容成本会增加。开关电源控制器驱动能力也要注意,过多的MOSFET是不能被良好驱动的。一般来说,元器件的供应商会提供具体的计算公式和使用方案供工程师借鉴。

 

比较好的电源模块?

YIGEHAODEKAIGUANDIANYUANMOKUAI,QIJISHUHEGONGYISHEJIYEYIDINGSHIYOUXIUDE,RUDIANLUYUANJIANBUJU、DUOCENGBANSHEJIJIGAOPINBIANYAQIJIEGOUSHEJIDENGDENG。MOKUAIDIANYUANSHIYIGEZHUANGPEIJISHU,QIGONGYISHEJI、XINDIANLUHEXINYUANQIJIANYESHIYIGEZHONGYAONEIRONG。

 

单个的开关电源模块,几乎很难通过surgeEFTCEREEMC实验,国外的电源模块尽管其可靠性高、寿命长、EMI控制得很好,但其抗干扰性(SurgeEFT)的性能不强。因此,根据开关电源模块特性,做好外围电路的EMC与防护设计,是设备通过EMC测试,提高其现场抗干扰性的关键所在。