原標題：新型非隔離負電壓DC/DC開關電源的設計

新型非隔離負電壓DC/DC開關電源的設計

在現(xiàn)代電子測量裝置中，非隔離負電壓DC/DC開關電源扮演著至關重要的角色。它能夠為集成電路芯片、傳感器等提供必要的負電源，確保這些元件的正常工作。隨著電子技術的飛速發(fā)展，對負電源的性能要求也越來越高，如穩(wěn)定性、抗干擾能力、帶負載能力等。本文將詳細介紹一種新型非隔離負電壓DC/DC開關電源的設計方案，包括優(yōu)選元器件型號、器件作用、選擇理由以及元器件的功能等。

一、設計背景與需求

傳統(tǒng)的非隔離負電壓開關電源通常有兩類電路拓撲結構，一種較為簡單，另一種則能提供更小的輸出紋波電壓和更強的帶負載能力。然而，更復雜的電路結構由于控制電路的復雜性，市場尚未普及這種結構的負電壓開關電源控制芯片。因此，設計一種性能優(yōu)越、結構相對簡單的新型非隔離負電壓DC/DC開關電源顯得尤為重要。

在設計過程中，我們需要考慮以下幾個關鍵因素：

1. 輸出穩(wěn)定性：確保輸出電壓在各種負載條件下都能保持穩(wěn)定。

2. 抗干擾能力：提高電源的抗干擾能力，確保在復雜電磁環(huán)境中也能正常工作。

3. 帶負載能力：增強電源的帶負載能力，滿足不同應用場景的需求。

4. 效率：提高電源轉(zhuǎn)換效率，減少能量損耗。

二、優(yōu)選元器件型號及其作用

1. 電源控制器：LT1935

作用：LT1935是一款含有峰值電流控制電路和斜坡補償電路的開關電源控制器，它能夠提供很好的電源動態(tài)響應，并且還能快速實現(xiàn)過電流保護，增加系統(tǒng)的可靠性。

選擇理由：

• 峰值電流控制：相比傳統(tǒng)的電壓控制，峰值電流控制能夠更有效地抑制輸出電流的波動，降低輸出紋波電流的影響，從而提升系統(tǒng)的帶負載能力和效率。

• 內(nèi)部集成控制電路：LT1935內(nèi)部集成了所需的控制電路，不需要額外設計復雜的反饋回路，簡化了電路設計。

• 快速過電流保護：能夠快速響應過電流情況，確保系統(tǒng)的安全性。

功能：

• 控制開關管的導通和關斷，實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。

• 提供峰值電流控制，確保輸出電流的穩(wěn)定。

• 實現(xiàn)過電流保護，防止電源損壞。

2. 開關管：MOSFET（如IRF540）

作用：作為開關電源的核心開關元件，MOSFET負責控制電源的導通和關斷，實現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換。

選擇理由：

• 低導通電阻：IRF540具有較低的導通電阻（Rdson），能夠減少功率損耗，提高轉(zhuǎn)換效率。

• 高開關速度：快速的開關速度能夠減少開關過程中的能量損耗，提高電源的動態(tài)響應。

• 耐壓值高：IRF540的耐壓值較高，能夠滿足不同輸入電壓的需求。

功能：

• 在控制信號的作用下導通或關斷，控制電源的輸出。

• 承受高電壓和大電流，確保電源的正常工作。

3. 電感：功率電感（如33μH）

作用：電感在開關電源中起著儲能和濾波的作用，能夠平滑輸出電壓，減少紋波。

選擇理由：

• 合適的電感值：33μH的電感值能夠平衡輸出紋波和動態(tài)響應，確保電源的穩(wěn)定輸出。

• 低直流電阻：低直流電阻能夠減少電感本身的功耗，提高能量轉(zhuǎn)換效率。

• 高飽和電流：高飽和電流能夠滿足大電流輸出的需求，增強電源的帶負載能力。

功能：

• 在開關管導通時儲存能量，在開關管關斷時釋放能量，維持輸出電壓的穩(wěn)定。

• 濾除輸出電壓中的高頻噪聲和紋波，提高電源的質(zhì)量。

4. 輸出電容：鉭電容（如10μF）

作用：輸出電容用于平滑輸出電壓，減少紋波和噪聲。

選擇理由：

• 低等效串聯(lián)電阻（ESR）：鉭電容具有較低的ESR，能夠減少電容上的功率損耗，提高電源的穩(wěn)定性。

• 大容量：10μF的容量能夠滿足大多數(shù)應用場景的需求，確保輸出電壓的平穩(wěn)。

• 高耐壓值：高耐壓值能夠確保電容在高壓環(huán)境下也能正常工作。

功能：

• 儲存電荷，平滑輸出電壓。

• 濾除輸出電壓中的低頻噪聲和紋波。

5. 續(xù)流二極管：肖特基二極管（如1N5819）

作用：續(xù)流二極管在開關管關斷時提供一個低阻抗回路，使電感釋放能量，維持輸出電壓的穩(wěn)定。

選擇理由：

• 低壓降：肖特基二極管具有較低的導通壓降，能夠減少能量損耗。

• 快恢復時間：快速的恢復時間能夠減少開關過程中的電壓尖峰和振蕩，提高電源的穩(wěn)定性。

• 高反向擊穿電壓：高反向擊穿電壓能夠確保二極管在高壓環(huán)境下也能正常工作。

功能：

• 在開關管關斷時提供續(xù)流回路，防止輸出電壓突然下降。

• 保護開關管免受反向電壓的沖擊。

6. 穩(wěn)壓管：如VD2和VD3

作用：穩(wěn)壓管用于實現(xiàn)過電壓保護，防止過高的直流電源對電源控制器造成損害。

選擇理由：

• 穩(wěn)定的擊穿電壓：穩(wěn)壓管具有穩(wěn)定的擊穿電壓，能夠在過電壓時及時導通，保護電源控制器。

• 快速響應：快速的響應速度能夠確保在過電壓發(fā)生時及時保護電源。

• 小功率損耗：在正常工作電壓下，穩(wěn)壓管的功率損耗較小，不會影響電源的效率。

功能：

• 在過電壓時導通，將過高的電壓鉗位在安全范圍內(nèi)。

• 保護電源控制器免受過電壓的損害。

三、電路設計原理

1. 電路拓撲結構

本文設計的非隔離負電壓DC/DC開關電源采用Buck電路拓撲結構。Buck電路是一種降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，通過控制開關管的導通和關斷時間，實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。

2. 工作原理

當電源控制器LT1935內(nèi)部的功率三極管導通時，直流電源給輸出電感L1和輸出電容C1充電。此時，電感L1儲存能量，電容C1平滑輸出電壓。當電源控制器LT1935內(nèi)部的功率三極管關斷時，輸出電感L1中的電流改由通過肖特基二極管VD1提供的低阻抗回路繼續(xù)給輸出電容C1充電直至下一個周期電源控制器LT1935內(nèi)部的功率三極管再次導通。這樣，電容C1在輸出電感L1儲存能量和釋放能量的過程中均獲得充電，從而減小了輸出紋波電壓。

同時，在連續(xù)電流模式（CCM）下，輸出電流在LT1935內(nèi)部功率三極管的導通和關斷期間均通過輸出電感L1，這很大程度上抑制了輸出電流的波動，降低了輸出紋波電流的影響，進而大大增加系統(tǒng)的帶負載能力和效率。

3. 反饋控制回路

反饋控制回路采用了峰值電流控制。由于采用了電源控制器LT1935，其內(nèi)部集成了峰值電路控制電路和斜坡補償電路，非隔離負電壓DC/DC開關電源反饋回路設計即轉(zhuǎn)換為補償網(wǎng)絡設計。這樣大大簡化了反饋回路的設計，同時提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應和可靠性。

四、補償網(wǎng)絡設計

補償網(wǎng)絡的設計分為兩個部分：電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)。通過這個網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)對非隔離負電壓DC/DC開關電源的精確控制。

1. 電流內(nèi)環(huán)

電流內(nèi)環(huán)用于控制輸出電感電流，確保其在設定范圍內(nèi)波動。通過檢測輸出電感電流，并將其與設定值進行比較，調(diào)整開關管的導通時間，實現(xiàn)電流的穩(wěn)定控制。

2. 電壓外環(huán)

電壓外環(huán)用于控制輸出電壓，確保其在設定值附近波動。通過檢測輸出電壓，并將其與設定值進行比較，調(diào)整電流內(nèi)環(huán)的設定值，實現(xiàn)電壓的穩(wěn)定控制。

在設計補償網(wǎng)絡時，需要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)響應。通過合理的選擇補償元件的參數(shù)，如電容、電阻等，可以使系統(tǒng)獲得較滿意的動態(tài)補償效果。

五、實驗驗證與結果分析

為了驗證本文設計的非隔離負電壓DC/DC開關電源的性能，我們進行了實驗研究。實驗電路的主要參數(shù)為：輸入電壓Vi=-24V，輸出電壓Vo=-15V，輸出電感L1=33μH，輸出電容C1=10μF，二極管VD1為肖特基二極管1N5819。

1. 實驗結果

通過實驗測試，我們得到了以下結果：

• 輸出電壓波形：在滿載情況下，輸出電壓波形穩(wěn)定，紋波電壓較小。

• 電感電流波形：電感電流在開關管的導通和關斷期間均保持連續(xù)，波動較小。

• 系統(tǒng)效率：通過測量輸入功率和輸出功率，計算得到系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率較高。

2. 結果分析

從實驗結果可以看出，本文設計的非隔離負電壓DC/DC開關電源具有以下優(yōu)點：

• 輸出電壓穩(wěn)定：在各種負載條件下，輸出電壓都能保持穩(wěn)定。

• 紋波電壓小：通過合理的電路設計和元件選擇，有效地抑制了輸出紋波電壓。

• 帶負載能力強：在連續(xù)電流模式下，輸出電容能夠通過輸出電感得到持續(xù)充電，從而增強了電源的帶負載能力。

• 效率高：通過選擇低損耗的元件和合理的電路設計，提高了電源的轉(zhuǎn)換效率。

六、總結與展望

本文提出了一種基于峰值電流控制的新型非隔離負電壓DC/DC開關電源設計方案。通過優(yōu)選元器件型號、合理設計電路拓撲結構和補償網(wǎng)絡，實現(xiàn)了輸出電壓的穩(wěn)定、紋波電壓的抑制、帶負載能力的增強以及效率的提高。實驗結果表明，該設計方案具有可行性、有效性和實用性。

展望未來，隨著電子技術的不斷發(fā)展，對負電源的性能要求也將越來越高。因此，我們需要不斷優(yōu)化電路設計、提高元件性能、降低成本和體積等方面進行研究和探索。例如，可以采用新型半導體材料（如SiC、GaN等）來提高開關管的性能和效率；可以研究更先進的控制算法來提高系統(tǒng)的動態(tài)響應和穩(wěn)定性；還可以探索更高效的電路拓撲結構來進一步降低紋波電壓和提高帶負載能力等。相信在不久的將來，非隔離負電壓DC/DC開關電源將在更多領域得到廣泛應用和發(fā)展。