一种高精度低纹波的DCDC电源设计设计,DC,电源,DCDC,低纹波DC,电源设计,高精度,低纹波,一种设计,电源纹波

　　一种高精度低纹波的DC-DC电源设计第362010年11中国测试CHINAMEASUREMENT&TESlTV01.36No.6November,2010种高精度低纹波的DC—DC电源设计刘金涛,田书林,付在明(电子科技大学自动化工程学院,四川成都611731)摘要:针对精密仪器电源需求,设计了一种高精度低纹波DC—DC电源模块,该模块实现了极低导通电阻的模拟开关,设计了应用开关电源方式的直流电压转换电路,提出了一种将负电平电流吸收源改进为电流输出源的电路设计方法.针对开关电源的EMC电路特性,可将设计的EMI滤波电路中的电源输出纹波减少到最小程度,并对电源完整性进行了分析和印制板设计分析.实践证明,该电路很好地满足了精密仪器的电源要求.关键词:DC—DC电源;模拟开关;电压转换;电源滤波;EMC测试中图分类号:TN86;TP303L3文献标识码:A文章编号:1674—5124(2010)06—0062—03DesignofhighprecisionandlowrippleDC-DCpowerIAUJin—tao,TIANShu-~n,FUZai-ming(SchoolofAutomationEngineering,UniversityofElectronicScienceandTechnobgyofChina,Chengdu611731,China)Abstract:Ahigh-tippleDC-DCpowermodulehasbeendesignedforprecisioninstruments.Thecircuithasbeendesignedtoachievealowon-resistanceanalogswish,thevoltageconversioncircuitf0r印plyingDC-DCpowerhasbeenproposed,andthecircuitdesignhasalsobeenproposedtoimprovethenega~ve-levelcurrentsourceabsorptionintothesourceofcurrentoutput.BasedontheEMCcharacteristicsofDC-DCpoweranddesignedacircuitEMIfdter,theoutputtippleofthepowerhasbeenreducedtothelowestextent.Finally,analysesaboutpowerintegrityandPCBdesignareillustrated.Thecircuitmettherequirementsoftheprecisioninstrumentpowerwel1.Keywords:DC-DCpower;analogswitches;voltageconversion;powerfilter;EMCtest引言目前,开关电源由于发热量小,效率高(75%以上)而且省掉了大体积的变压器,以小型,轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备,通信设备等几乎所有的电子设备,是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式.然而普通的开关电源由于其干扰大,精度低,转换效率低等不足并不能满足高精度场合下的电源应用,该文针对精密仪器对电源品质要求高的特点设计了高性能DC—DC电源,具有串扰低,辐射小,精度高等优点,很好地满足了系统的需求.该设计预期指标:电压纹波30mVpp,转换效率9O%,导通电阻10mSq,V电平电流输出100nLA.为设计的DC—DC电源原理方框图,设计中收稿日期:2009—10—10;收到修改稿日期:2009—12—24基金项目:国家十--3Y预研项目()作者简介:刘金涛(1984一),男,山东临沂市人,硕士研究生,专业方向为高性能脉冲发生器硬件电路设计.直流输入共有12V,3_3V和～2V电源,而转换后有12V,3.3V,+5V,一2V和一12v输出.输入电源由模拟开关控制接通或者关断,之后由DC—DC电路将12V电平进行电压转换成+5V和一l2V,一2V电压经过模拟开关后进人负电流源电路进行供流,以满足后面系统电路板的需求【3].图1DC—DC电源原理方框图转化后的电源或者是前级输出电源都需要先进行滤波处理将纹波电压缩减到最低之后,再转送出给系统其他电路使用.电路设计与仿线模拟开关设计传统继电器和集成模拟开关芯片的导通电阻都在0.5Q到几欧姆的范围内,在大电流输出的第36期刘金涛等:一种高精度低纹波的DC—DC电源设计63情况下会产生很大的电压降,影响供电电压的准确性[63.在设计中采用增强型MOSFET管IRF3205,该MOSFET管的导通电阻只有极小的8mQ,能够满足设计需要17j.该MOSFET管可以在5V到12V的范围内控制电路的开关.可以通过在电路中加入电压,电流探针的方式测得模拟开关的实际导通阻抗.图2所示为模拟开关电路的仿线A的输出情况下,该电路的导通电阻仅为8.87mQ.在系统要求输出电压很大的情况下,依然能保证系统电源的精准.模拟开关设计图3.2电压转换电路设计设计中采用的是开关电源芯片MC34166T,效率可高达95%,转换精度达到2%.是12V转5V电路,DC—DC芯片内部晶振和PMW根据输出电压进行斩波,以控制占空比来输出电压脉冲信号,之后由嵌位二极管和电感电容组成缓冲整形电路,将电压脉冲整形成平滑稳定电压输出圈.图中芯片3脚为内部地参考,5脚为内部参考电平,利用外部两个电阻构成分压电路,以此来控制输出电压.该电路输出电流最大可以达到3A,能够满足系统的需求.图312V转5.05V电源转换电路为12V转一12V的电路图,将内部参考地引脚接为输出电压,由此内部参考电平与输出之间的压差即为5.o5V.利用图中所示2.4k12和3.3kQ的电阻进行分压来控制输出电压.前级与生成5V电压电路工作原理相同.12V电压输人口处采用330I.zF电容来滤除电压噪声,优化输出结果.式(1)为该电路电压转换关系式,可以计算得到输出电压为一12v.在两个电压转换电路中一定要引脚处的电源去耦,以避免由开关引进的交流传扰反馈到电源面中造成影响.5.o5赢()图412V转一】2V电源转换电路10I.LHC4-47047nF000IIl+f1iG+fG4.7Illfff此次设计中所采用的滤波电路如图5所示,为型切比雪夫滤波器,经计算其高频截止频率为32kHz,满足设计需要,能够滤除主要纹波干扰【l1lo为用泰克DPO7104示波器对DC—DC电源板的实测结果,可以看到输出电压的纹波只有25mV左右.(将示波器调至交流调制,即滤除掉直流电中国测试2010 年11 压后,可以看到纹波电压主要集中在7.1～18.4mV之间). 电源纹波测试图3.4 负电平电流输出源设计 在实际应用中,负电平通常作为电流吸收源.只 有极少数的情况下需要由负电平提供电流.基于项 目中需求的一2V 电压最大150mA 的电流输出可能, 设计中应用增强型N 沟道MOSFET 管2N7002 生恒定电流源,如图7所示.在栅极和源极之间加入 5V 电压源来控制电流输出大小. io=k(一Vr)(2) 式中:——漏极电流,亦即恒流源输出电流; k——常数; 负电平电流输出电路图岱——栅源电压; 漏极和栅极导通时的开启电压.由电路芯片参数及电路中电阻值可以计算得到 该电流源的输出电流可以达到160mA,能够满足系 统需求,而且不会产生过多的能量流失. 结束语通过仿真和电路设计,实现了预期要求的指标, 成功解决了开关电源扰动大,精度低等传统电路所 具有的问题,而且实现了极低导通电阻的模拟开关 设计,为大电流且准确度要求高的应用场合提供了 电路参考.此外,完成了电源滤波电路设计,并在负 电平条件下实现了电流输出电路设计,对于电源的 设计具有很大的意义. 参考文献 李靖,魏琳.开关电源基本原理,发展和趋势[J].光盘技术,2008(8):42-43. [2]丘涛文.开关电源的发展及技术趋势[J].电力标准化与技 术经济,2008(6):54—56. 周德泰,杨志民,郭海涛.大电流低电压开关电源的设计册.电测与仪表,2008,45(6):43-45. [4]王冰,张润和,孙燕霞.基于PWM控制的开关电源系统 仿真研究[J].现代电子技术,2009(4):1-3,7. 【5】杨秀增,黄灿胜.基于NiOSII 的高精度数控直流稳压 电源设计[J】.电子设计工程,2009,17(9):47-49. [6]任青毅,曹科峰,刘云涛.一种宽输出低纹波开关电源[J]. 高能量密度物理,2009(1):24—26. [7]JeftJu.低通电阻模拟开关在视频系统中的应用【J】.今日 电子,2003(11):5-7. 【8】李亮.基于电流型脉宽调制器的自适应反激驱动开关 电源的设计【J].通信电源技术,2008,25(5):10—14. [9]宋军.电源完整性分析及其应用[J].电子设计应用, 2005(5):24—28. 滤波器的设计【J].企业技术开发.2005(1):9-l1. [11]梁安平,王银乐.开关电源抗电磁干扰的研究与分析【J]. 电磁兼容技术,2008(7):36—38.

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