学习笔记-智能车制作-1.3-2

    介绍完线性稳压电源后，我们来介绍下开关电源原理与设计

    1.3.3 开关电源原理及设计


    1、概述
    开关电源的调整管工作在开关状态，理想状态下，仅有导通和截止两种状态。
    开关电源有着重量轻，体积小，效率高等特点，其发展方向如下：
        （1）高频化：高频化可减小电源的体积和重量，且降低电容、电感、变压器等元件的部分 参数。
        （2）高效率：工作效率是开关电源的重要参数，随频率升高，元件的损耗和噪声也会增加 。
        （3）高可靠性，开关电源的内的过压保护、过流保护、短路保护等功能。
    开关电源也有多种分类方式：
        （1）是否隔离分类
        隔离的开关电源使用高频变压器、光耦等，将输入（初级）和输出（次级）做电气隔离
        而在智能车中，升压、降压、输入和输出，使用的是同一个底线，故为非隔离系统。
        （2）拓扑分类
        非隔离电源主要有BUCK和BOOST两种，隔离的电源包括正激、反激、全桥、半桥、推挽等。
        （3）能量传递的方式分类
        按能量传递方式可分为正激和反激，这里指工作方式，与拓扑结构不同。正激表示开关管 导通时同时向负载输出能量；反激表示开关管导通时存储能量，截止时向负载释放能量。


    2、BUCK电路原理
    基本原理图如下所示，其为降压型开关电源。



    在开关管导通时，电感电流上升，电容充电；开关管截止时，由于电感电流不能突变，电流经 二极管形成回路，随电感中能量的消耗，电流逐渐降低，但此时电容扔在充电。若在电流将为0之前 ，开关管再次导通，则为连续模式，反之叫做断续模式。（CCM/DCM）
    断续模式下，当电流降到0时，受回路中杂散参数影响，会产生较大的寄生振荡，使输出纹波增 加；连续模式想，纹波虽然降低了，但是电感能量释放不完全，效率低。
    在BUCK拓扑中，连续模式下U0=U1*D（占空比）
    理论上，占空比不受输出电流的变化影响，当负载电流变化时，仍能保持电压不变。进入断续 模式时，以上公式不再适用，占空比受输出电流影响。
    控制方式变化，瞬时特性会变差。实际设计中，要求负载大于10%时，进入连续模式。


    3、BUCK降压电源设计实例
    5v电源在智能车中较为常见
    首先确定电源管理芯片，在此使用TPS5430，SOP8封装
    其特性如下：
        （1）输入范围5.5—36v
        （2）内部集成MOS管，最大电流可达3A
        （3）输出范围广，最低可达1.22v
        （4）开关频率500kHz，利于使用滤波电容滤波
        （5）有丰富的保护功能
    芯片引脚图及功能图如下两图





    电路基本原理图如下



    下一步，我们要确定各元件参数及型号
    输入电容用于稳定输入电压，尽量降低输入纹波，在此使用100uF电解电容与0.1uF瓷片电容并 联。（要求耐压值均不小于16V）
    BOOST电容用于MOS管的浮地驱动，根据手册，推荐用10nF瓷片电容。（浮地驱动将在BOOST电路 中进行介绍）
    二极管用于在MOS管关断时流过电流，因此应对耐压值需注意，而其电流为输出电流加电感电流 的平均值。
    为提高效率，二极管正向导通压降越小越好，且反向恢复时间也越短越好。故选择肖特基二极 管，型号定为SS24.
    采样电阻用于反馈输出电压，与电源内部的基准电压机型比较和处理。由手册查得其内部基准 电压典型值为1.22v。因此电阻分压制也必须为该值。
    即R1/R2=（5-1.22）/1.22≈3.1
    由于电压与电阻值之比有关，与阻值无关，但电阻值也不宜过大或过小。电阻值过大，则偏置 电流太小，输出电压精准度低；电阻值过小，则功耗过大。在常见电阻中，选用R1=6.8kΩ， R2=2.2kΩ，较为适宜。
    电感有电流不能突变的特性，用于平滑输出电流，由于内容过于复杂，建议百度或者根据数据 手册公式来进行计算。根据计算出的值，在常见电感型号中，选择一个近似的。（推荐选略大于计 算值的）
    输出电容用于平滑输出电压，减小电源纹波。
    电源纹波主要有电感斜坡电流在理想点燃中产生的电压波动和斜坡电流在ESR上产生的波动。
    通常情况下，若容值不是太小，则其带来的纹波可忽略不计；其ESR产生的纹波，需要根据要求 计算。
    如要求不大于50mv。
    根据Resr=Vr/dI=（0.05/0.2）Ω=0.25Ω
    找参数Resr=0.25Ω的电容即可符合要求。（如下图）



    至此，列出完整电路图如下




    根据原理图，设计PCB后，制成实物如下图：







    至此我们学完了BUCK型降压电路，最后附上下午在图书馆做的笔记：