一款高效率大電流直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作

許多電子發(fā)燒友們?cè)贒IY時(shí)，常常需要一個(gè)能輸出大電流、性能優(yōu)良的直流穩(wěn)壓電源，并且希望這個(gè)直流穩(wěn)壓電源還能夠比較方便的根據(jù)自己的需要隨時(shí)改變輸出電壓的大小。如何才能擁有一款這樣的直流穩(wěn)壓電源呢。

本文介紹一款采用MP1593制作的DC-DC穩(wěn)壓電源，這款DC-DC穩(wěn)壓電源的體積很小，但它能提供2A 甚至最高達(dá)3A 的輸出電流，并且其性能指標(biāo)非常好，完全可以滿足電子愛好者們?cè)贒IY 時(shí)的要求，下面就原理及實(shí)際制作等方面的一些問題做一個(gè)詳細(xì)的介紹。

1、 MP1593 的結(jié)構(gòu)及工作原理簡(jiǎn)介

MP1593 是美國(guó)MPS 公司(Monolithic PowerSystems,Inc) 研制生產(chǎn)的一款降壓型(Step -down)DC-DC 器件，它采用8 pin 小型SOP 封裝，體積很小，只有5mm×4mm×1.5mm 大小。該IC允許輸入的電壓范圍從4.75~28V，輸出電流最高可達(dá)3A，其最高工作效率可達(dá)95%。該IC 典型的數(shù)據(jù)為：當(dāng)輸入12V, 輸出為5V，且電流達(dá)到2.5A時(shí)，其工作效率為90%。在這樣高電壓差、大電流的情況下，該IC 連續(xù)工作24 小時(shí)也無需加裝任何散熱器，可見其功耗非常之小。另外，該集成電路的外圍電路也十分簡(jiǎn)單，非常容易應(yīng)用。

圖1 是MP1593 典型的外部應(yīng)用電路及部分內(nèi)部原理圖

圖1 MP1593 典型的外部應(yīng)用電路及部分內(nèi)部原理圖

該集成電路的工作原理簡(jiǎn)述如下：

輸入電壓Vin 從集成電路的pin 2 端進(jìn)入，這時(shí)如果在pin 7( Enable) 端加高電平(+5V 左右)，則IC 被啟動(dòng)進(jìn)入到工作狀態(tài)。在時(shí)間Ton( 導(dǎo)通時(shí)間) 內(nèi)，輸入電壓通過導(dǎo)通的MOS 管V1 從IC 的pin 3 端輸出，加在電感L1 的左端，該電壓經(jīng)過L1與電容C5 組成的濾波電路向負(fù)載RL 供電，同時(shí)在電感L1 上儲(chǔ)存了電能。在時(shí)間Toff( 關(guān)斷時(shí)間) 內(nèi)，MOS 管V1 處于關(guān)斷狀態(tài)，這時(shí)，在儲(chǔ)能元件電感L1 上產(chǎn)生的自感電壓為左負(fù)右正，因此加在二極管D1 上的電壓是正向偏置電壓，致使二極管導(dǎo)通，于是，電感L1 與二極管D1 及負(fù)載RL 形成了一個(gè)放電回路，電感L1 上儲(chǔ)存的電能向負(fù)載RL 釋放，以提供負(fù)載RL 所需的電能。電路中各點(diǎn)的波形如(圖2)所示。

圖2 電路中各點(diǎn)的波形圖

輸出電壓Vout 的穩(wěn)壓控制過程簡(jiǎn)述如下。

電阻R1 與R2 組成的分壓電路從輸出電壓Vout端取出采樣電壓，然后通過pin 5 端送到IC 內(nèi)部的誤差電壓放大器Y3 的反相輸入端，與IC 內(nèi)部設(shè)置的加在同相端的基準(zhǔn)電壓1.22V 進(jìn)行比較，從而使誤差電壓放大器Y3 的輸出電壓Ua 產(chǎn)生相應(yīng)的變化，此電壓Ua 被送到IC 內(nèi)部的電流比較器Y2 的反相輸入端;另一方面，IC 內(nèi)部電阻R '通過對(duì)輸出回路中的電流進(jìn)行采樣，取得一個(gè)采樣電壓。此電壓經(jīng)電流傳感放大器Y1 進(jìn)行放大后得到電壓Ub，此電壓被送到電流比較器Y2 的同相輸入端。這兩個(gè)電壓Ua 和Ub 共同決定了電流比較器Y2 的輸出電壓Uc 的大小，而電壓Uc 就是IC 內(nèi)部的邏輯電路的輸入控制信號(hào)。通過邏輯電路的控制，改變MOS管V1 的通斷相對(duì)時(shí)間長(zhǎng)短，也就是改變了電感L1上的充電和放電時(shí)間的長(zhǎng)短，即Ton( 導(dǎo)通時(shí)間) 和Toff( 關(guān)斷時(shí)間) 的相對(duì)長(zhǎng)短，從而改變了電感上平均電壓的大小，也就是改變了輸出電壓Vout 的大小，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出電壓Vout 的穩(wěn)壓控制。整個(gè)穩(wěn)壓過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)反饋控制過程。從以上所述的穩(wěn)壓控制過程中，我們看到：只要改變外部電阻R1 與R2 的比值，就可以改變采樣電壓的大小，從而也就改變了輸出電壓Vout 的大小，事實(shí)上，該電路就是通過調(diào)節(jié)電阻R1 與R2 的比值來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓Vout 大小的調(diào)節(jié)。

MP1593 各管腳的功能定義如表1 所示。

表1 MP1593 各管腳功能描述

2、 MP1593 實(shí)際的應(yīng)用電路圖及一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)

采用這顆IC 設(shè)計(jì)+5V 電源的實(shí)際應(yīng)用電路如圖3 所示。

圖3 采用這顆IC 設(shè)計(jì)+5V 電源的實(shí)際應(yīng)用電路

對(duì)這個(gè)電路的設(shè)計(jì)，有幾點(diǎn)說明如下：

1. 這里用的電阻、電容等元件都是采用貼片型的元件。采用貼片型元件的好處：一是可以使整個(gè)電路的體積做的很小，二是為了讓各元件排列得很緊湊，以避免元件之間連接線過長(zhǎng)而導(dǎo)致引入外部的干擾使得電路工作不穩(wěn)定。

2. 電容C4、C5 不能用電解電容，而必須采用多層陶瓷介質(zhì)貼片電容(即MLCC 電容)，最好是采用X7R 型或X5R 型的貼片電容，因?yàn)檫@種電容濾波效果較好，能確保輸出電壓Vout 的紋波電壓較小。

3. C2 必須采用X7R 型的貼片電容，同時(shí)還要盡可能靠近MP1593, 以確保使得從輸入端引入的高頻干擾減到最小。

4. D1 必須采用正向電流大于3A 的肖特基二極管(Schottky barrier diode)以確保當(dāng)IC 內(nèi)部的MOS 管V1 關(guān)斷時(shí)，電感L1 能快速的向負(fù)載提供足夠大的電流。

5. R3、R4、R5 必須采用誤差為1%的貼片電阻，以確保輸出電壓Vout 的精度。 R4、R5 串聯(lián)使用也是為了更方便的調(diào)節(jié)Vout，使其精度達(dá)到預(yù)定的要求。

6. L1 采用繞線式工字型貼片電感，其額定工作電流必須達(dá)到2A 以上。

7. 電阻R1、R2 組成串聯(lián)分壓電路從12V 電壓分出大約5V 左右的電壓給pin 7 端作為該電路的啟動(dòng)信號(hào)。電路中所使用的所有元件的型號(hào)規(guī)格參數(shù)如表2 所示。

表2 電子元件清單

3、結(jié)束語(yǔ)

在采用集成電路MP1593 設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源時(shí)，有以下幾點(diǎn)值得注意：

1. 如果輸出的電壓不是 +5V 而是 +3.3V、+1.8V 或者其它輸出電壓，這時(shí)在設(shè)計(jì)MP1593 的應(yīng)用電路時(shí)，( 圖3 ) 中的某些元件的參數(shù)是需要進(jìn)行調(diào)整的， 如：L1、D1、C6、R3、R4、R5、R6都需要根據(jù)輸出電壓的大小而重新選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)。

如何選擇參數(shù)?可參考MPS 公司發(fā)布的MP1593的IC 規(guī)格書的最新版本文件：MP1593 DatasheetRev 2.0 .pdf。

2. 在PCB 布線時(shí)，必須注意地線的排布方法。

一般要求將輸入部分的地線與輸出部分的地線分別各自在一點(diǎn)匯總后再相互連接起來， 且匯總地點(diǎn)盡可能靠近MP1593 的pin 4(GND)端。

3. 在PCB 布線時(shí)，L1、D1、C3 必須在一點(diǎn)進(jìn)行連接并且與MP1593 的 pin3 端連接的線段要盡可能短一些，粗一些。

4. 在PCB 布線時(shí)，L1、D1、C4 這幾個(gè)元件在PCB 板上所圍成的面積要盡可能的小一些，實(shí)際上就是要求將這幾個(gè)元件盡量排布得相互靠近些。

以上幾點(diǎn)措施是為了使設(shè)計(jì)出來的實(shí)際應(yīng)用電路具有極好的工作穩(wěn)定性，使輸出電壓在紋波、輸出電壓精度、信噪比等各方面都獲得非常好的性能指標(biāo)。事實(shí)上，本人曾經(jīng)在便攜式DVD 產(chǎn)品中采用MP1593 設(shè)計(jì)了+5V、+3.3V、+1.8V 三種直流穩(wěn)壓電路，實(shí)際測(cè)得該機(jī)的性能指標(biāo)非常好，輸出電壓上的紋波很小，音頻系統(tǒng)的信噪比實(shí)測(cè)達(dá)到了90dB 以上，視頻系統(tǒng)的亮度信噪比達(dá)到了60dB 以上，充分證明該電路具有很好的實(shí)用性。