硬件工程师必读,如何设计电源电路?

时间:2024-05-21来源:玩转嵌入式

电子产品要工作就离不开电源,电源的设计在嵌入式行业、通信行业、工控行业都非常重要,可靠稳定的供电方案可以使产品工作更稳定、性能更好、工作寿命更长。

不同的硬件方案,对电源的要求不同,如单片机需要DC3.3V,而电机可能需要DC12V;不同的产品对电源的输入要求不同,如小爱音箱是市电220V输入,而工控板要求DC24V输入等。需要根据不同的需求设计不同的电源处理电路,根据不同的供电对象设计不同等级的电源电路。今天和大家分享一下几种典型的电源设计方案。

1-电源板

1.直流低电压降压电路设计(LDO)

这里所指的低电压是指DC18V以下的电压,这一部分的电路设计是硬件工程师在工作当中碰到最多的情况,但也是芯片级的解决方案最多的情况。嵌入式控制板的核心器件是单片机、ARM、FPGA等芯片,常用的电压有DC5V、DC3.3V、DC2.5V、DC1.8V、DC1.2V等。这种情况下对输出电流要求不是很高所以LDO芯片用的比较多,熟悉51单片机的朋友都知道,51单片机用DC5V来供电,输出DC5V的LDO芯片如7805、ASM117、LM2940、TPS709等。

2-LM2940典型电路图

上图是LM2940的典型电路图,这种LDO芯片所需要的外设器件比较少,只需要在输入和输出加几个滤波电容即可稳定工作,省元器件、省空间、使用方便,唯一的不足之处就是转化效率太低,发热严重。上图的LM2940电路,只加了四个电容即可稳定的输出DC5V。

2.直流中高压降压电路设计(DC/DC)

这里所指的中高压一般是指DC24V以上的情况,DC24V已经超过了大多数LDO降压芯片的输入电压范围,不再适用。幸运的是有很多DC/DC类芯片可以用。这类电源芯片和LDO相比,其优点就是输入范围宽、转换效率高,其缺点是所需外设元器件较多。常用的DC/DC类芯片有LM2596、LM2576、MP1584等。

3-LM2596典型电路原理图

上图是LM2596的典型电路原理图,从图上可以看出比LDO类芯片多了电感、二极管还有电阻等器件。上图是可调版本的原理图,计算方法为:Vout=1.23×(1+R89/R88),通过选择不同的电阻即可输出所需要的电压。LM2596还带有芯片使能端,即芯片的第5引脚Vout=1.23×(1+R89/R88),,当第5引脚接GND时芯片工作,接高电平时芯片停止工作。

3.直流高压降压电路的设计

这里所指的高压是指超过DC48V的情况,这种供电常用在以电池包供电的场合,如电动车行业、电动园林工具行业等。直流高压也超过了DC/DC芯片的输入范围,所以DC/DC芯片也无法使用了,更宽输入的电源芯片,如XL7025、XL7026、XL7045、XL7046等可满足这类应用。

4-XL7045典型应用电路原理图

上图是XL7045的典型原理图,其输入范围为DC(10-80)V,输出可调,输出最大电流为300mA,输出电压的计算公式为:Vout=1.25×(1+R2/R1),通过调节电阻R2/R1的比值即可输出不同的电压,满足用户的不同需求。

其常用的外设元器件有电感、二极管和电阻等。其实就是DC/DC芯片,其工作原理为:内部的MOS开关以一定的频率频繁开断。在MOS闭合时,电流流经电感和负载,电感储能,二极管处于截止状态。当MOS断开时,电感所储存的电量给负载供电,同时由于电感的反向电动势使得二极管导通,由此电感、负载、二极管构成回路。电路就是在MOS管的频繁开断中工作的。

4.直流升压电路的设计

所谓升压电路就是指输出电压要高于输入电压,这类电路用在便携设备上比较多,比较常用的升压芯片有MT3608、XL6008、LM2577、XL6012等。

5-XL6008典型电源原理图

上图是XL6008的典型原理图,输入范围为DC(3.6-32)V,输出可调最大可达60V,最大可输出3A的电流。输出电压的计算公式为:Vout=1.25×(1+R2/R1),通过设置R2/R1的阻值即可实现输出电压的调节,使用简单方便。

4.AC转DC类电源电路

AC/DC类芯片在开关电源、小家电类产品应用比较多,这类芯片如UCC28880/1、LNK304,FSL336,NCP1207等,可以将交流转化为直流,但是其输出的电流不是很大。

6-LNK304典型应用原理图

这类芯片常见的封装为DIP-7或者SOP-7,输入侧也输出测不隔离,搭建电路时所需要的外设元器件比较多,如电感、二极管、电容、电阻等。其输出电流比较小,其后用DC/DC或者LDO芯片做降压设计可基本满足控制板的供电要求。

5.阻容降压类电路设计

阻容降压电路经常用在小家电中,如吹风机、鱼缸加热棒、电络铁等。其优点是电路结构简单、成本低廉,缺点是输出功率低、输入和输出间不隔离。

7-阻容降压典型原理图

上图是典型的阻容降压的电路原理图,电容C5起到降压作用,电流的虚部流过C5不会产生功耗,以0.33uF的电容为例,可以计算出电容的容抗值:

Xc=1/(2πfC)= 1/(2×3.14×50×0.33×10-6)= 9.65K,进而计算出流过电容的电流I= U / Xc = 220 / 9.65 = 22mA。所以阻容降压只适合于小功率和小电流的负载。

以上就是在设计产品时常碰到的电源设计的几种情况,和大家分享,希望能给大家在设计产品时带来一点思路。

关键词: 电源电路 升压 降压 电路设计

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