項(xiàng)目2供電電路設(shè)計(jì)

任務(wù)2DC-DC電源模塊的使用任務(wù)描述隔離控制器中采用DC12V作為電源輸入，其內(nèi)部工作電壓為5V和3.3V，并要求采用隔離電源抗干擾，任務(wù)中選擇合適的DC-DC部件，完成隔離控制器供電部分設(shè)計(jì)。通過任務(wù)實(shí)施，讀者可以掌握相關(guān)芯片手冊(cè)、供電電路參數(shù)的認(rèn)知，通過實(shí)踐掌握嵌入式系統(tǒng)中供電電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試。知識(shí)儲(chǔ)備一、開關(guān)電源芯片技術(shù)規(guī)格電源芯片的技術(shù)規(guī)格解讀非常重要。近年來一般的電源設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是以電源芯片為中心進(jìn)行的設(shè)計(jì)，不讀電源芯片的技術(shù)規(guī)格就無法進(jìn)行電源供電設(shè)計(jì)。1.技術(shù)規(guī)格的封面技術(shù)規(guī)格的封面除了其電源芯片的概述、特長、用途等之外，也記載了最初應(yīng)知道的種種事項(xiàng)。記載的項(xiàng)目或順序會(huì)因廠商而有些微差異，不過基本上所涵蓋的項(xiàng)目大致相同。但是，從內(nèi)容相關(guān)細(xì)節(jié)或最初應(yīng)知道的項(xiàng)目等可以隱約看出廠商的姿態(tài)或特征。1.技術(shù)規(guī)格的封面因此，技術(shù)規(guī)格的封面是相當(dāng)重要的一頁。以下述技術(shù)規(guī)格的封面為例，首先從“標(biāo)題”可以大致明白何種電源芯片；“概述”的說明則會(huì)稍微具體一些；“特長”則進(jìn)一步分條列舉，明示所搭載的功能或代表性規(guī)格；“重要特性”一項(xiàng)，列出電源芯片首先應(yīng)該確認(rèn)的規(guī)格，就算沒有詳細(xì)的規(guī)格值表也可以知道最低限度的必要基本項(xiàng)目值。部分芯片封面還包括了封裝信息、安裝空間等示意圖，這些都能幫助讀者確認(rèn)是否要采用該芯片。此外，封面中所示用途和基本應(yīng)用電路可以讓讀者確認(rèn)是否適合應(yīng)用于自己的電路設(shè)計(jì)。1.技術(shù)規(guī)格的封面在開始時(shí)認(rèn)真閱讀芯片規(guī)格書的封面，可以掌握很多必要信息，往后的問題就會(huì)少一些。隔離控制器的設(shè)計(jì)中所采用的電源芯片LM5007的芯片手冊(cè)封面如圖2-34所示。1.技術(shù)規(guī)格的封面圖2-34LM5007技術(shù)規(guī)格封面1.技術(shù)規(guī)格的封面從技術(shù)規(guī)格的封面雖然可以快速掌握概述，不過還是有很多注意事項(xiàng)需要掌握。比如，記載的特性值沒有明記是否為最大值或最小值等保證值、標(biāo)準(zhǔn)值（Typ）時(shí)，必須以規(guī)格值表確認(rèn)。以封面所書寫的值開始設(shè)計(jì)后，由于該項(xiàng)目只有標(biāo)準(zhǔn)值沒有保證值也可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)障礙，在設(shè)計(jì)中務(wù)必記得在規(guī)格值表或功能說明一項(xiàng)中確認(rèn)規(guī)格細(xì)節(jié)。2.框圖技術(shù)規(guī)格大多有刊載圖標(biāo)該芯片內(nèi)部構(gòu)造的框圖?？驁D可以概略知道內(nèi)部有何種功能模塊、以何種流動(dòng)輸出等。此外，框圖一般會(huì)伴隨各功能模塊的工作說明或引腳的功能說明。這些是了解工作的重要信息，圖2-35是LM5007芯片的功能框圖。圖2-35LM5007內(nèi)部框圖2.框圖表則是LM5007芯片的引腳功能表。3.絕對(duì)最大額定和推薦工作條件技術(shù)規(guī)格有時(shí)會(huì)顯示絕對(duì)最大額定和推薦工作條件。表2-5是絕對(duì)最大額定的定義和推薦工作條件的參數(shù)表。表2-5絕對(duì)最大額定值3.絕對(duì)最大額定和推薦工作條件其中絕對(duì)最大額定的定義是即使一瞬間也不能超過的界限值，而且如果有規(guī)定兩個(gè)項(xiàng)目以上規(guī)格值時(shí)，任何兩個(gè)項(xiàng)目都不得同時(shí)到達(dá)的界限值。表2-5絕對(duì)最大額定值3.絕對(duì)最大額定和推薦工作條件規(guī)格書中的推薦工作條件是芯片建議的合適工作場(chǎng)景，LM5007芯片的推薦工作條件見表2-6。推薦工作范圍為保證正常工作的規(guī)定，使用上必須確實(shí)遵守這種條件。表2-6推薦工作條件4.電氣特性的要點(diǎn)技術(shù)規(guī)格中必定會(huì)有顯示芯片特性及其保證值的規(guī)格值表。設(shè)計(jì)時(shí)雖然會(huì)參考標(biāo)準(zhǔn)值（type），但可惜的是所有條件都匹配標(biāo)準(zhǔn)值。因此，規(guī)格值表的值可以理解其數(shù)值為何種條件、是否為最小值或最大值等保證值。表2-7為規(guī)格值表的參考，在列出的條件下可以保證記載的值，但是條件只要稍微不同便無法保證。表2-7LM5007部分電氣特性表4.電氣特性的要點(diǎn)另外，應(yīng)該思考芯片特性值和應(yīng)用電路特性值的關(guān)系。必須理解的是，電源芯片的規(guī)格值并非為直接使用該芯片的特性值。例如，作為輸出電壓設(shè)定基準(zhǔn)的FB引腳電壓（有些廠商稱為參考電壓）基本上有規(guī)定并保證最大值和最小值，見表2-8。表2-8LM5007FB引腳參數(shù)4.電氣特性的要點(diǎn)表2-8中所列的信息，是決定輸出電壓的重要特性值。近年來開關(guān)電源用芯片雖然FB引腳電壓大多具有±1%的高精度，但是在連接分壓電阻后設(shè)定輸出電壓時(shí)輸出精度無法保證±1%。簡(jiǎn)而言之，使用電阻值和FB引腳電壓公稱值所計(jì)算的輸出電壓，只要有電阻和FB引腳電壓的容許差，除非偶然否則絕對(duì)不會(huì)如計(jì)算值所示。4.電氣特性的要點(diǎn)因此，規(guī)格值是電源芯片的特性值，架構(gòu)電路時(shí)會(huì)有所呈現(xiàn)，但必須知道的是并非可以原封不動(dòng)獲得該值或特性。5.特性圖表、波形的看圖方法技術(shù)規(guī)格除了規(guī)格值表外，也有刊載特性圖。原因在于規(guī)格值表的數(shù)值是指定條件中某一點(diǎn)值，且因無法得知幅度或傾向、對(duì)多個(gè)條件的變化等連續(xù)特性而加以補(bǔ)充。此外，規(guī)格值方面，圖表可以顯示未規(guī)定的特性或電路的特性。這里要提及的不只是規(guī)格值表的數(shù)值，也提醒務(wù)必在檢查圖表并了解傾向或連續(xù)特性后再進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖表可以說是設(shè)計(jì)不可或缺的。5.特性圖表、波形的看圖方法圖2-36表示效率和輸出電流的關(guān)系。此圖表在開關(guān)穩(wěn)壓器芯片的技術(shù)規(guī)格中經(jīng)?？梢钥匆?。電源芯片規(guī)格值表一般都沒有效率項(xiàng)目，更別說是羅列最大/最小值，就連標(biāo)準(zhǔn)值也沒有顯示。也就是說，效率是并未被保證的特性。但在規(guī)格書中類似圖2-36中可以獲得參考信息。圖2-36轉(zhuǎn)換效率5.特性圖表、波形的看圖方法由圖2-36可以想象本身電路負(fù)載電流可得到的效率，效率曲線也是選擇電源芯片時(shí)的重要檢查點(diǎn)。圖2-36轉(zhuǎn)換效率5.特性圖表、波形的看圖方法技術(shù)規(guī)格除了圖表外，有時(shí)也顯示工作時(shí)的波形等。其主旨基本上與圖表相同，目的在于提示規(guī)格值表中難以提示的特性。如圖2-37所示。圖2-37開關(guān)波形5.特性圖表、波形的看圖方法圖2-37表示的是示波器畫面所顯示的波形?？v向?yàn)殡妷憾鴻M向?yàn)闀r(shí)間軸。所表示的是開關(guān)節(jié)點(diǎn)的ON/OFF波形和輸出呈現(xiàn)的紋波電壓。從輸出電壓波形可以讀取紋波電壓。仔細(xì)看的話，可以讀取到如果開關(guān)波形H時(shí)紋波會(huì)上升，L時(shí)則下降。此外，也可知道紋波頻率基本上也與開關(guān)頻率相同，也即同步?？梢栽谠O(shè)計(jì)電路中和相同節(jié)點(diǎn)的波形做比較，以用作電路設(shè)計(jì)優(yōu)化的目標(biāo)。6.應(yīng)用電路實(shí)例電源芯片的技術(shù)規(guī)格基本上都有刊載其芯片的應(yīng)用電路實(shí)例。沒有刊載時(shí)，應(yīng)該會(huì)另外以應(yīng)用備忘錄等名稱備有應(yīng)用電路實(shí)例的補(bǔ)充數(shù)據(jù)。目的在于希望通過顯示其芯片的使用標(biāo)準(zhǔn)電路實(shí)例，讓大家可以利用作為設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。所刊載的應(yīng)用電路實(shí)例大多已架構(gòu)實(shí)際電路并確認(rèn)工作，有時(shí)芯片廠商還同時(shí)備有其電路的評(píng)估板。開關(guān)穩(wěn)壓器芯片所使用的電路構(gòu)造，一般只要變更外置部件的常量即可符合要求規(guī)格。如果需要進(jìn)一步的調(diào)整時(shí)，如能利用基本應(yīng)用電路例或評(píng)估板一面修改一面進(jìn)行評(píng)估，則可以極大縮短設(shè)計(jì)和評(píng)估時(shí)間。6.應(yīng)用電路實(shí)例圖2-38的電路圖是開關(guān)穩(wěn)壓器芯片LM5007的技術(shù)規(guī)格書中的實(shí)例。圖2-38LM5007典型電路6.應(yīng)用電路實(shí)例此外，視技術(shù)規(guī)格而定，有時(shí)會(huì)以代表性輸出電壓為主提供各外置部件的常量或型號(hào)。針對(duì)LM5007的應(yīng)用電路例基本上可以依照從圖中部件參數(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。表2-9是圖2-38對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)：表2-9LM5007典型電路設(shè)計(jì)參數(shù)6.應(yīng)用電路實(shí)例除了電路例之外，有些廠商芯片有時(shí)還會(huì)包含輸出電壓等根據(jù)設(shè)定值的部件常量一覽信息。但不可能所有應(yīng)用需求都被這些表所包含，因此，技術(shù)規(guī)格會(huì)刊載芯片功能或設(shè)定使用的方法、必要外置部件的選定方法、常量決定的計(jì)算公式等。6.應(yīng)用電路實(shí)例如技術(shù)規(guī)格中關(guān)于輸出電壓的說明，如果想要調(diào)整實(shí)例電路中的輸出電壓，就需要用到規(guī)格書中計(jì)算公式（2-3）。6.應(yīng)用電路實(shí)例有時(shí)規(guī)格書中還會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)所涉及的功能工作方式進(jìn)行詳細(xì)說明，而后再給出計(jì)算公式并加以說明，這對(duì)設(shè)計(jì)來說是非常重要的。想要讓工作或特性優(yōu)化的話，不事先理解這些內(nèi)容，就無法進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)或調(diào)整。7.電路板布局有時(shí)依照技術(shù)規(guī)格所載的電路圖、部件編組，電路卻無法工作。在沒有簡(jiǎn)單連線錯(cuò)誤等前提下，此種問題大多起因于電路板布局?，F(xiàn)在開關(guān)電源設(shè)計(jì)已相當(dāng)普及，電路板布局在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中極為重要。不過，如果制作印刷電路板時(shí)布線結(jié)構(gòu)不適當(dāng)，就會(huì)產(chǎn)生大峰波，有些情況下會(huì)有甚至?xí)p壞芯片。為了不發(fā)生這種麻煩，技術(shù)規(guī)格或應(yīng)用手冊(cè)會(huì)給出電路板布局實(shí)例。因大多為雙面基板，所以一般是雙面布局的范例，有時(shí)更進(jìn)一步直接提供制作電路板可使用的電子文件（光繪文件等）。7.電路板布局為了發(fā)揮開關(guān)電源所期待的性能和特性，需要適當(dāng)?shù)碾娐钒宀季?。在?shí)際設(shè)計(jì)電路板布局時(shí)可以參考如圖2-39所示的技術(shù)規(guī)格的相關(guān)信息頁。二、線性穩(wěn)壓器技術(shù)規(guī)格上文以LM5007為例介紹了開關(guān)電源芯片的規(guī)格書資料，隔離控制器中利用LM5007完成DC12V到DC5V的電壓轉(zhuǎn)換，但還需要利用LDO芯片完成DC5V到DC3.3V的電壓轉(zhuǎn)換，這里采用1117系列的線性穩(wěn)壓芯片完成，該系列芯片有很多廠家生產(chǎn)，其產(chǎn)品規(guī)格細(xì)節(jié)上有所不同，但大體功能都差不多，這里以EZ1117為例給出線性穩(wěn)壓器技術(shù)規(guī)格的介紹。1.規(guī)格書封面

EZ1117是一種高效線性穩(wěn)壓器，后置穩(wěn)壓器，其規(guī)格書封面如圖2-40所示，給出了簡(jiǎn)介和特性，同時(shí)也給出了這一系列穩(wěn)壓器的多種規(guī)格和可能的輸出電壓。2.框圖EZ1117的功能框圖如圖2-41所示，從中可看出穩(wěn)壓器的引腳功能。3.電氣特性其電氣特性在規(guī)格書中有詳細(xì)列表，如表2-10所示。4.典型電路規(guī)格書中列有EZ1117的典型應(yīng)用電路，能幫助用戶更方便地設(shè)計(jì)供電電路，如輸出3.3V的實(shí)例電路如圖2-42所示。4.典型電路在需要的時(shí)候，選擇輸出電壓可調(diào)規(guī)格的EZ1117，在設(shè)置好配置電阻后可獲得需要的輸出電壓，如圖2-43所示。5.規(guī)格封裝EZ1117有兩種規(guī)格封裝，在規(guī)格書中有封裝的名稱和相應(yīng)的機(jī)械尺寸，在實(shí)際設(shè)計(jì)基板時(shí)需要參考這部分資料,封裝規(guī)格如圖2-44所示，（a）為SOT-223貼片封裝，（b）為TO-263貼片封裝。

圖2-44EZ1117規(guī)格封裝（a）SOT-223（b）TO-263課堂思考隔離控制器工作時(shí)輸入電壓先轉(zhuǎn)換成5V，再轉(zhuǎn)換成3.3V，能否直接轉(zhuǎn)換為3.3V工作？

三、隔離DC-DC電源模塊隔離DC-DC電源模塊是指隔離電源是使用變壓器將各種不同電壓（如：220VAC，48VDC，24VDC，12VDC等）通過變壓器將電壓降到所需要的電壓，然后作為負(fù)載供電使用。非隔離電源模塊是將各種不同電壓（如：220VAC，48VDC，24VDC，12VDC等）直接引入到電子電路，再通過電子元件進(jìn)行升降壓輸出，輸入輸出是通過電子元件直接連接的，中間并沒有經(jīng)過變壓器等帶隔離性的器件，所以稱非隔離電源模塊。

1.安全性作為一個(gè)讓最終用戶能安全使用的產(chǎn)品，工程師在設(shè)計(jì)電源方案時(shí)一般都會(huì)考慮系統(tǒng)的絕緣以及隔離的可靠性。相比之下，DC-DC隔離電源模塊相比非隔離電源模塊安全性更高一些。

2.效率非隔離電源模塊由于少了變壓的磁電轉(zhuǎn)換所損失的能量，所以效率一般較高，行業(yè)中大多電源廠家的非隔離電源模塊的效率都能達(dá)到91%以上。相比之下，DC-DC隔離電源模塊一般效率都在88%以下，所以DC-DC隔離電源模塊發(fā)熱相對(duì)來說會(huì)比非隔離電源模塊的大。

3.成本與體積非隔離電源模塊由于不需要采用變壓器進(jìn)行輸入輸出之間的電氣隔離，所以相比DC-DC隔離電源模塊，同樣的輸出功率，同樣的輸出性能（如輸出精度，負(fù)載效應(yīng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)等），非隔離電源模塊所需要的體積更小，成本更低，設(shè)計(jì)難度更小。如果說設(shè)計(jì)上可以考慮輸入輸出之間不隔離，相比DC-DC隔離電源模塊，采用非隔離電源模塊來進(jìn)行設(shè)計(jì)那可以說是工程師的首選。

4.帶載范圍DC-DC隔離電源模塊的輸出帶載范圍小于非隔離電源模塊帶載范圍。一般來講DC-DC隔離電源模塊的輸出帶載范圍為30-42V，非隔離電源模塊帶載范圍可以為30-84V。

5.規(guī)格書封面以MAU200系列的隔離電源模塊為例，其規(guī)格書如圖2-45所示。圖中可以看到隔離DC-DC器件的外觀，但需要說明的是隨著器件規(guī)格的不同，以及生產(chǎn)廠家的不同，其外觀封裝也會(huì)有差異，在使用時(shí)需要以具體器件型號(hào)的規(guī)格書為參考。圖中也羅列了同廠家同系列產(chǎn)品的型號(hào)和參數(shù)，其數(shù)量很多，用戶需要依據(jù)自己的需要選擇相應(yīng)產(chǎn)品。

6.電氣參數(shù)隔離電源的規(guī)格書中會(huì)提供基本的電氣參數(shù)，見表2-11。表2-11給出規(guī)格書中部分電氣參數(shù)，從中可以看出這種型號(hào)的DC-DC隔離模塊可以做到60秒耐壓3000V。在圖中沒有截取的部分還包括輸入輸出相關(guān)的電氣參數(shù)，在做產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)需要仔細(xì)參考其數(shù)值。

表2-11部分電氣參數(shù)7.機(jī)械封裝DC-DC隔離模塊的機(jī)械封裝不同于普通芯片，其體積較大，在設(shè)計(jì)電路時(shí)需要仔細(xì)參考其規(guī)格