如何設計高效率大電流直流穩(wěn)壓電源

許多電子發(fā)燒友們在DIY時，常常需要一個能輸出大電流、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3A 的輸出電流，并且其性能指標非常好，完全可以滿足電子愛好者們在DIY 時的要求，下面就原理及實際制作等方面的一些問題做一個詳細的介紹。

1、 MP1593 的結構及工作原理簡介

MP1593 是美國MPS 公司(Monolithic PowerSystems,Inc) 研制生產的一款降壓型(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3A，其最高工作效率可達95%。該IC 典型的數(shù)據(jù)為：當輸入12V, 輸出為5V，且電流達到2.5A時，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單，非常容易應用。

圖1 MP1593 典型的外部應用電路及部分內部原理圖

該集成電路的工作原理簡述如下：

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

圖2 電路中各點的波形圖

輸出電壓Vout 的穩(wěn)壓控制過程簡述如下。

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 內部的誤差電壓放大器Y3 的反相輸入端，與IC 內部設置的加在同相端的基準電壓1.22V 進行比較，從而使誤差電壓放大器Y3 的輸出電壓Ua 產生相應的變化，此電壓Ua 被送到IC 內部的電流比較器Y2 的反相輸入端;另一方面，IC 內部電阻R '通過對輸出回路中的電流進行采樣，取得一個采樣電壓。此電壓經電流傳感放大器Y1 進行放大后得到電壓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 內部的邏輯電路的輸入控制信號。通過邏輯電路的控制，改變MOS管V1 的通斷相對時間長短，也就是改變了電感L1上的充電和放電時間的長短，即Ton( 導通時間) 和Toff( 關斷時間) 的相對長短，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，最終實現(xiàn)了對輸出電壓Vout 的穩(wěn)壓控制。整個穩(wěn)壓過程實質上是一個反饋控制過程。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，事實上，該電路就是通過調節(jié)電阻R1 與R2 的比值來實現(xiàn)對輸出電壓Vout 大小的調節(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 實際的應用電路圖及一些設計要點

采用這顆IC 設計+5V 電源的實際應用電路如圖3 所示。[!--empirenews.page--]

圖3 采用這顆IC 設計+5V 電源的實際應用電路

對這個電路的設計，有幾點說明如下：

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而導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貼片電容(即MLCC 電容)，最好是采用X7R 型或X5R 型的貼片電容，因為這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IC 內部的MOS 管V1 關斷時，電感L1 能快速的向負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節(jié)Vout，使其精度達到預定的要求。

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信號。電路中所使用的所有元件的型號規(guī)格參數(shù)如表2 所示。

表2 電子元件清單

3、結束語

在采用集成電路MP1593 設計直流穩(wěn)壓電源時，有以下幾點值得注意：

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，這時在設計MP1593 的應用電路時，( 圖3 ) 中的某些元件的參數(shù)是需要進行調整的， 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?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，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匯總后再相互連接起來， 且匯總地點盡可能靠近MP1593 的pin 4(GND)端。

3. 在PCB 布線時，L1、D1、C3 必須在一點進行連接并且與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，L1、D1、C4 這幾個元件在PCB 板上所圍成的面積要盡可能的小一些，實際上就是要求將這幾個元件盡量排布得相互靠近些。

以上幾點措施是為了使設計出來的實際應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。事實上，本人曾經在便攜式DVD 產品中采用MP1593 設計了+5V、+3.3V、+1.8V 三種直流穩(wěn)壓電路，實際測得該機的性能指標非常好，輸出電壓上的紋波很小，音頻系統(tǒng)的信噪比實測達到了90dB 以上，視頻系統(tǒng)的亮度信噪比達到了60dB 以上，充分證明該電路具有很好的實用性。