如何设计高效率大电流直流稳压电源 稳压电源, 工作原理, 爱好者, 发烧友, 美国

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许多电子发烧友们在DIY时，常常需要一个能输出大电流、性能优良的直流稳压电源，并且希望这个直流稳压电源还能够比较方便的根据自己的需要随时改变输出电压的大小。如何才能拥有一款这样的直流稳压电源呢。
本文介绍一款采用MP1593制作的DC-DC稳压电源，这款DC-DC稳压电源的体积很小，但它能提供2A 甚至最高达3A 的输出电流，并且其性能指标非常好，完全可以满足电子爱好者们在DIY 时的要求，下面就原理及实际制作等方面的一些问题做一个详细的介绍。
1、 MP1593 的结构及工作原理简介
MP1593 是美国MPS 公司(Monolithic PowerSystems,Inc) 研制生产的一款降压型(Step -down)DC-DC 器件，它采用8 pin 小型SOP 封装，体积很小，只有5mm×4mm×1.5mm 大小。该IC允许输入的电压范围从4.75~28V，输出电流最高可达3A，其最高工作效率可达95%。该IC 典型的数据为：当输入12V, 输出为5V，且电流达到2.5A时，其工作效率为90%。在这样高电压差、大电流的情况下，该IC 连续工作24 小时也无需加装任何散热器，可见其功耗非常之小。另外，该集成电路的外围电路也十分简单，非常容易应用。


图1 MP1593 典型的外部应用电路及部分内部原理图
该集成电路的工作原理简述如下：
输入电压Vin 从集成电路的pin 2 端进入，这时如果在pin 7( Enable) 端加高电平(+5V 左右)，则IC 被启动进入到工作状态。在时间Ton( 导通时间) 内，输入电压通过导通的MOS 管V1 从IC 的pin 3 端输出，加在电感L1 的左端，该电压经过L1与电容C5 组成的滤波电路向负载RL 供电，同时在电感L1 上储存了电能。在时间Toff( 关断时间) 内，MOS 管V1 处于关断状态，这时，在储能元件电感L1 上产生的自感电压为左负右正，因此加在二极管D1 上的电压是正向偏置电压，致使二极管导通，于是，电感L1 与二极管D1 及负载RL 形成了一个放电回路，电感L1 上储存的电能向负载RL 释放，以提供负载RL 所需的电能。电路中各点的波形如(图2)所示。


图2 电路中各点的波形图
输出电压Vout 的稳压控制过程简述如下。
电阻R1 与R2 组成的分压电路从输出电压Vout端取出采样电压，然后通过pin 5 端送到IC 内部的误差电压放大器Y3 的反相输入端，与IC 内部设置的加在同相端的基准电压1.22V 进行比较，从而使误差电压放大器Y3 的输出电压Ua 产生相应的变化，此电压Ua 被送到IC 内部的电流比较器Y2 的反相输入端;另一方面，IC 内部电阻R '通过对输出回路中的电流进行采样，取得一个采样电压。此电压经电流传感放大器Y1 进行放大后得到电压Ub，此电压被送到电流比较器Y2 的同相输入端。这两个电压Ua 和Ub 共同决定了电流比较器Y2 的输出电压Uc 的大小，而电压Uc 就是IC 内部的逻辑电路的输入控制信号。通过逻辑电路的控制，改变MOS管V1 的通断相对时间长短，也就是改变了电感L1上的充电和放电时间的长短，即Ton( 导通时间) 和Toff( 关断时间) 的相对长短，从而改变了电感上平均电压的大小，也就是改变了输出电压Vout 的大小，最终实现了对输出电压Vout 的稳压控制。整个稳压过程实质上是一个反馈控制过程。从以上所述的稳压控制过程中，我们看到：只要改变外部电阻R1 与R2 的比值，就可以改变采样电压的大小，从而也就改变了输出电压Vout 的大小，事实上，该电路就是通过调节电阻R1 与R2 的比值来实现对输出电压Vout 大小的调节。
MP1593 各管脚的功能定义如表1 所示。
表1 MP1593 各管脚功能描述

2、 MP1593 实际的应用电路图及一些设计要点
采用这颗IC 设计+5V 电源的实际应用电路如图3 所示。

图3 采用这颗IC 设计+5V 电源的实际应用电路
对这个电路的设计，有几点说明如下：
1. 这里用的电阻、电容等元件都是采用贴片型的元件。采用贴片型元件的好处：一是可以使整个电路的体积做的很小，二是为了让各元件排列得很紧凑，以避免元件之间连接线过长而导致引入外部的干扰使得电路工作不稳定。
2. 电容C4、C5 不能用电解电容，而必须采用多层陶瓷介质贴片电容(即MLCC 电容)，最好是采用X7R 型或X5R 型的贴片电容，因为这种电容滤波效果较好，能确保输出电压Vout 的纹波电压较小。
3. C2 必须采用X7R 型的贴片电容，同时还要尽可能靠近MP1593, 以确保使得从输入端引入的高频干扰减到最小。
4. D1 必须采用正向电流大于3A 的肖特基二极管(Schottky barrier diode)以确保当IC 内部的MOS 管V1 关断时，电感L1 能快速的向负载提供足够大的电流。
5. R3、R4、R5 必须采用误差为1%的贴片电阻，以确保输出电压Vout 的精度。 R4、R5 串联使用也是为了更方便的调节Vout，使其精度达到预定的要求。
6. L1 采用绕线式工字型贴片电感，其额定工作电流必须达到2A 以上。
7. 电阻R1、R2 组成串联分压电路从12V 电压分出大约5V 左右的电压给pin 7 端作为该电路的启动信号。电路中所使用的所有元件的型号规格参数如表2 所示。
表2 电子元件清单


3、结束语
在采用集成电路MP1593 设计直流稳压电源时，有以下几点值得注意：
1. 如果输出的电压不是 +5V 而是 +3.3V、+1.8V 或者其它输出电压，这时在设计MP1593 的应用电路时，( 图3 ) 中的某些元件的参数是需要进行调整的， 如：L1、D1、C6、R3、R4、R5、R6都需要根据输出电压的大小而重新选择适当的参数。
如何选择参数?可参考MPS 公司发布的MP1593的IC 规格书的最新版本文件：MP1593 DatasheetRev 2.0 .pdf。
2. 在PCB 布线时，必须注意地线的排布方法。
一般要求将输入部分的地线与输出部分的地线分别各自在一点汇总后再相互连接起来， 且汇总地点尽可能靠近MP1593 的pin 4(GND)端。
3. 在PCB 布线时，L1、D1、C3 必须在一点进行连接并且与MP1593 的 pin3 端连接的线段要尽可能短一些，粗一些。
4. 在PCB 布线时，L1、D1、C4 这几个元件在PCB 板上所围成的面积要尽可能的小一些，实际上就是要求将这几个元件尽量排布得相互靠近些。
以上几点措施是为了使设计出来的实际应用电路具有极好的工作稳定性，使输出电压在纹波、输出电压精度、信噪比等各方面都获得非常好的性能指标。事实上，本人曾经在便携式DVD 产品中采用MP1593 设计了+5V、+3.3V、+1.8V 三种直流稳压电路，实际测得该机的性能指标非常好，输出电压上的纹波很小，音频系统的信噪比实测达到了90dB 以上，视频系统的亮度信噪比达到了60dB 以上，充分证明该电路具有很好的实用性。