使用开关稳压器!设计您自己的DCDC转换器

通过使用开关稳压器,可以有效减少电路发热以节约能耗。此外,开关稳压器有助于减小散热器尺寸,从而可以制作出更紧凑的电路以及发热量更少的电源电路。

目录

‧ 使用开关稳压器制作DCDC转换器
‧ 开关稳压器IC比预想中更易于使用
‧ 开关稳压器的优点
‧ 制作DCDC转换器电路
‧ 正确使用三端稳压器和开关IC
‧ 总结

使用开关稳压器制作DCDC转换器

开关稳压器IC是一种电源IC,可从某一直流电压中获取所需电压,用于控制 开关式DCDC转换器。
还有一种电路是使用齐纳二极管或三端稳压器从某一高压中产生所需电压(同步降压)。但是如果需要几安培的大电流量,则需要一个开关稳压器来进行降压。

开关稳压器IC比预想中更易于使用

开关稳压器IC ROHM BD9E301如图所示。SOP8封装主要用于外形封装,但也可以通过转换板用在通用板上

开关稳压器的优点

在电源电路中使用开关稳压器的优点是“高效”。
如果您要使用开关稳压器,那么需要一些外部组件。与三端稳压器不同,使用开关稳压器时,除了IC和电容还需要其他组件,这可能会让人感觉电路连接会比较困难。
如果您了解开关稳压器的工作原理,可能会觉得“是不是得附加各种振荡器和线圈?”其实,现如今开关IC的大部分功能都内置在IC中,所以需要的外部零件很少,电路设计也省时省力。
降压电路有多种降压方式,但使用开关稳压器可以实现80-95%的高转换效率。其他方法(使用三端稳压器)效率通常为50%左右或者更低,从而导致浪费功耗以及发热量过多。
将大负载连接到降压电路时,可以通过使用开关稳压器来创建产生较少热量的节能电路。

参考链接:开关稳压器|电子小百科
https://www.rohm.co.jp/electronics-basics/dc-dc-converters/dcdc_what5

制作DCDC转换器电路

现在,我们使用开关稳压器IC来制作DCDC转换器。

我们将使用一个DCDC转换器,它可以将12V电源的输入转换为5V / 2A的输出。使用该输出规格,您还可以移动USB设备,为自己的设备提供USB充电功能。
ROHM的BD9E301用于开关稳压器IC。由于该IC内置FET,所以可支持高达2.5A的输出,并且具有使用外部电阻自由调节输出电压的功能,可支持7V~36V的大范围输入电压。

BD9E301的技术规格书摘录。开关稳压器的技术规格书中描述了电路设计示例,因此请参考该内容制作电路。
来源:7.0V-36V输入,2.5A MOSFET内置型1ch同步整流降压DC/DC转换器—BD9E301EFJ-LB (E2) | ROHM Co., Ltd.

除了基本规格外,开关稳压器技术规格书还包含电路设计和图形布局示例,因此我们一边参考技术规格书一边开始制作电路。

放置在转换板上的开关稳压器IC,安装于通用板上

由于BD9E301是一种表面贴装IC,所以通用板上需要使用转换板。使用转换板时,可能会产生散热量不足的问题而导致故障,因此使用时要注意电流量和发热情况。

一边查看技术规格书中的应用电路,一边将电子元件焊接到板上。输出电压由R1 和R2的分压电阻之比来决定,因此我们将R1设置为12kΩ,将R2设置为3kΩ,其他元件使用与技术规格书相同的设置。
由于开关电源是一种以高频率重复进行ON/OFF动作的电路,所以该器件应尽量靠近IC安装,以免布线距离过长。从某种意义上来说,电路布局是开关稳压器的关键所在。
由于技术规格书中包含关于布局的说明,我们将一边参考器件的位置一边制作电路。

完成的DCDC转换器背面。DIP部件安装在表面上,表面安装型线圈安装在焊接表面上。需要安装的部件很少,使用开关稳压器的DCDC转换器可以由一个电阻、几个电容和一个线圈制作而成。

当12V电压施加到所完成的电路时,输出电压为5V。电路中的反馈机制可以使输出电压保持不变,因此即使外部电压发生波动,电路也始终输出5V。该开关稳压器IC最高可输出(电源电压x 0.7)V,因此理论上来说,即使电源电压降至7.2V也能正常工作。

我们已经制作出了一个5V / 2A电源电路,现在将一个USB端子连接到输出部分,来为USB设备供电。

如果您将USB端子连接到自己的5V DCDC转换器,就可以为USB设备充电。上图是为iPad充电的图片。让人意外的是,发热量很小,因此电池可以稳定充电。

如您所见,仅使用开关IC就可以轻松制作出5V输出电源电路。您可以在制作电路时尝试添加USB充电等附加功能,也许会很有趣。

在将开关电源商业化时存在很多问题,包括需要符合PCB布局和EMI(电磁干扰)规定,但是就电路设计本身来说,仅通过使用开关稳压器IC就可以轻松完成电路制作。

三端稳压器和开关IC的正确使用

就像前文所说的那样,最近的开关IC由于外部零件很少,电路设计用的材料很多,所以安装开关降压电路变得很容易。

在实际电源电路设计中,您可能会想知道应该使用开关稳压器还是三端稳压器。

开关稳压器因其效率高而具有吸引力,但是在某些应用场景中其优势可能无法得到充分发挥:比如只使用了一个微型计算机和几个LED但电流很高时。
在只有几毫安的电路中,即使提高了效率,其实用优势也可能不复存在。
此外,开关电源的效率随着负载电流的降低而降低(相反,这时候三端稳压器的效率更高),而缺点——例如包含了大量部件和噪声波纹——会变得更加突出。在这种情况下,就总成本来说,使用三端稳压器具有更大优势。
总的来说,不要认为“开关稳压器更好,因为它们效率更高!”我们应该根据功耗和电路尺寸来选择合适的方法。

开关稳压器和线性稳压器之间的区别。两种稳压器各有优缺点,必须根据实际情况来对其进行选择。三端稳压器属于线性稳压器。
来源:线性稳压器的优缺点比较 | Tech Web
https://techweb.rohm.co.jp/knowledge/dcdc/s-dcdc/02-s-dcdc/88

总结
当您听到“开关稳压器”这个词时,最初可能会觉得“难以制作”,但实际使用的时候会发现并没有想象中那么复杂。并且,您还可以轻松地制作出高效的电源电路。
如果学会了使用开关稳压器,您就可以对电路电压进行控制了——例如,除了降压之外,还可以进行升压、反相和升降压,如此一来,您就可以扩大电路设计的范围。
设计开关电源真正困难的部分是如何进行图形布局来放置零部件以及如何处理EMI以符合各国法规。而对您来说,很容易能够完成制作,所以即使在电气工程中,使用开关稳压器也是一个不错的选择。
我们使用了表面贴装型开关稳压器,但也有可用于通用板的DIP形IC和内置线圈的开关稳压器,因此即使在电器工程中,开关IC也非常易于使用。此外,最新产品中有一种内置了FET的类型,可以输出7A~8A电流。

如果您正在制作带有三端稳压器和大型散热器的电源电路,或者您正在通过连接DCDC转换器模块来制作小器件,那么何不尝试使用开关稳压器IC来进行电路设计呢?

这篇文章来源于DevicePlus.com英语网站的翻译稿。

DevicePlus 编辑团队
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