电路设计---来吧，设计一款DCDC开关电源模块

只看该作者 · 2023-2-19 20:57

本帖最后由王小琪于 2023-2-19 20:57 编辑

如果你搞明白了开关电源的设计，那么可以说电路你才算是真正的入门了，毕竟开关电源内部包含了MOS、电容、电感、二极管、运放等知识。好了，废话不多说，下面开始进行一个自己的DC12V-DC5V开关电源的设计吧。
一、DCDC开关电源的原理
我们想要的是DC12V-DC5V，首先大家可以看看下面这个电路。

这个电路很简单，当我PWM为高电平的时候，Q1是个NMOS会导通，那么V_out会接GND，即V_out=0V
当我PWM为低电平的时候，Q1是个NMOS会不导通，那么V_out会通过上拉电阻R7接+12V，即V_out=+12V
当我PWM为50%占空比的一个PWM信号时，Q1是个NMOS会快速的进行导通截止切换，那么V_out也会快速的在12V和0V直接切换，通过等效原理，可以等效V_out=6V
所以如果我们想要得到5V的话，我们也可以反向推算出来这个PWM占空比应该是：41.66%
从上面的理论来看，通过改变PWM的占空比，即可得到任何我们想要的电压，前提是电压比12V要小。

看到这里你是不是觉得很简单，我们马上就得到了一个5V的电压，没错，5V电压你是得到了。但是我们得到5V电压是需要给其他元器件供电的，我们现在给它加上一个负载，看看会有什么效果。
如下图，当我不加负载R8的时候，当PWM为高电平，V_out=12V
当我加了负载R8的时候，当PWM为高电平，V_out=6V
那么你觉得，此时我再给PWM一个41.66%占空比的信号，我的输出V_out还会是5V吗，明显不会。实际情况下我的负载阻抗是会变化的，那么想要得到固定的5V，我的PWM信号应该也要随着负载的变化而变化，是不是发现没有想象的那么简单。所以我们在设计的时候，需要给控制电路加一个反馈，我们前面分析出来了，PWM占空比越大，输出电压越大；但是负载会改变我们的电压值，假如负载的变化，导致了我们的电压变小了，那么我们就要将PWM占空比调大，同理，当负载导致我们的电压变大了，我们就要将PWM占空比调小。这就是反馈的作用。

同时我们需要让我们得到的电压5V更稳定，我们很快就想要需要加电容，因为电容的其中一个作用就是储能、滤波稳压。
所以我们的电路就变成了下图这个样子，但是如果我们用示波器去测量电流I的话，可以看到在MOS管打开瞬间，会有一个很高的电流脉冲。
这是因为电容的电压电流公式为：I=C*du/dt，当电容两端电压突变的时候，dt会变得非常小，所以电流会非常大。

所以为了抑制电流尖峰的问题，我们又自然而然的想到了电感，因为电感的电流不能突变。但是这样又会导致一个新的问题，当MOS管关断的时候，电感一端是悬空的，所以为了此时依旧能够形成回路，所以需要加一个续流二极管，所以最终的电路结果如下图所示：

原理分析如下，所以我们整理一下，DCDC拓扑如下：

同时，我们都知道MOS管内部有一个体二极管，那么是不是可以用MOS管来替代上图中的二极管呢，事实也确实如此，如果用二极管的话，上面的拓扑就叫做异步整流电路；如果是用MOS管的话，上面这个电路就是同步整流整流电路，但是如果换成MOS管的话，需要注意两个MOS不能同时开启，否则会导致电源和地短路。但是同步整流效率比异步整流要高，而且发热也会更低。所以如何取舍，就看个人具体需求了。

二、物料选型-芯片电感电容
芯片
上面介绍了开关电源分为异步整流和同步整流，由于同步整流效率更高，发热更低，所以我们选择制作一个同步整流的DCDC电源模块。整理之后，我们电源拓扑如下，我们会可以看到下图有两个MOS，这里就有两种方案了。
一种是电源芯片内置MOS，优点是成本更低，节约布局空间，废话，少用了两颗MOS肯定节约成本啊；缺点就是功率更低，一般小于5A；
还有一种方案是电源芯片外置MOS，优点是电流可以做到很大，几十安培，缺点就是成本更高，体积更大。
由于本文更多的在于科普，所以我们选择内置MOS方案。
下面介绍下做电源芯片的一些厂商：微盟（好像也做电机驱动芯片）、芯龙、UPI等，国外就有TI、mps、adi等，我发现好像电源做的好的厂商，电机驱动芯片做得也不差，最典型的就是TI，用过TI的电源芯片和电机驱动芯片的小伙伴可以举举手。

电源芯片：MP2315S
开关频率：500K
最大输入电压：24V
最大输出电流：3A
封装：TSOT-23-8
电感
电感的感值会影响纹波的大小，同时还需要注意电感的饱和电流，其中一些公式和参数可以通过芯片的规格书看到，所以我们最终选择的电感为一体成型的封装为0630的感值为4.7uh的电感。

电容
1、输入电容一般越大越好
2、当输入电压最大为24V的时候，可以选耐压为35V的电容，如果你不考虑成本的话，选择50V耐压也是可以的。
3、输出电容不能太大，需要小于100uf，所以输出电容可以选择0805封装的22uf

开关电源的频率会影响到电感、电容的参数的大小
频率高好处是输出纹波小，可以选择更小参数的电感和电容；缺点是EMI会变差，开关损坏会更大
一般可以选择频率在500K到1500M的开关频率
所以最终的电路示意图如下：

三、原理图、PCB设计
原理图和简单，主要看看PCB的设计思路
1、输入和输出都用铜箔来连接，可以走很大的电流
2、GND也都用一整块铜箔连接，让电流回路可以最短
3、右下角都是电感、电容，铜箔比较大的部分，所以是干扰源；左上角是一些元器件，直流电的小信号，所以是被干扰源。
所以干扰源和被干扰源分布在左上角和右下角两侧，不至于交叉感染。