PDF《大功率 BUCK DC-DC 系统可靠性研究》

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1 技术支持 [email protected] 大功率 BUCK DC-DC 系统可靠性研究 序言 随着电子产品轻、薄、小的发展趋势,要求电子元件体积更小,耗能更低.开关电源作 为电子设备中不可或缺的组成部分也在不断的改进.高效率、高可靠、低耗、低噪声、抗干 扰和模块化,成了开关电源的发展方向. BUCK DC-DC 作为开关电源中的一个分支,也在不断进步,优化.下面通过对 DC-DC 系统的可靠性设计,能够减少 DC-DC 系统发生故障的概率,提高电子设备的稳定性和可靠 性. 常用可靠性设计方法 常用可靠性设计方法有以下几种:采用优选电路和优化设计,降额设计,热设计,电磁 兼容设计. 采用优选电路和优化设计 优选电路是通过定量和定性的测定, 分析来对系统电路结构选取一种方法. 根据系统需 要实现的具体要求,采用合适的电路拓扑和电子元器件. 电路的优化设计是指在电路设计已基本满足功能和特性指标的基础上, 根据要求的电路 特性(Constraints)(例如要求电路的延时时间不能大于某一值),调整电路中的元器件参数 (例如调整偏置电阻) ,是电路指标要求(Performance Goal,又称为目标参数) (例如电路 的功耗)为某一数值. CIN 470uF/50V L2 47uH/3A COUT 470uF/35V D2 IN5821

1 5

4 2 V IN FB SW GND 24V -36V V OUT=1.235*(1+R2/R1) X L2596-ADJ

3 C1

105 Icharge=0.155/Rcs EN C2

105 R1 CFF 33nF R2 D1 SS34 D3 SS34 5V/3A 图一 上海芯龙半导体有限公司 www.xlsemi.com

2 技术支持 [email protected] 以XL2596 外围参数选型为例.输入电压 24V,输出电压 5V,输出电流 3A,芯片开关 频率 F=150KHz.

1、输出电感选择 dIL= (Vin-Vout)*Ton/L Ton= T*(Vout/ Vin) T=1/f,L 电感量的选取原则使电感纹 波电流为电感电流的20% ( 可根据应用改变)dIL=0.2IL=0.2Iout L=5(Vin-Vout)Vout*T/(Vin*Iout)=43.98μH,可选用 47μH/3A 电感. 如果电感减小,较小的电感将要求较高开关电流,系统工作在不连续模式,较大的电感 会带来高成本,开关系统也会变成连续模式.

2、续流二极管选择 续流二极管的最大承受电流能力至少要为最大负载电流的 1.3 倍;

续流二极管的反向耐 压至少要为最大输入电压的 1.25 倍;

续流二极管必须是快恢复的且必须靠近芯片,建议选 择肖特基二极管,超快恢复和高效整流二极管,如肖特基二极管 1N5821 等. 续流二极管一定要使用肖特基二极管或者超快恢复二极管,因为芯片开关频率高,瞬态 响应速度要快.反向耐压要大于输入电压.

3、输出电容选择 电容量的计算:Q=I*t=C*V→ Ⅰ*t = C*V,其中Ⅰ为动态负载(电流)最大变 化V=100mV,Vripple=50mV,由(Vout/Vin=D)知→Toff(max)~1.389μs. 以一般规范→动态变化测试:0.25*Imax→0.75*Imax 即Iout(max)*50%(PC power 规范)→Iout(max)*50%=1.5A---- I(max) t=Toff+(2*T)代入上式得 1.5A*[ Toff+ (2*T)]=C*V,由上式得出 Cmin=220.8μF,可选择 470μF/35V 的电容. 如果输出电容容量选择太小,会导致系统输出纹波大.选择输出电容容量太大,体积和 成本上有压力,但是大容量电容的 ESR 相对与同样小容量电容 ESR 小一些,可以减小系统 纹波.

4、输入电容选择 输入耐压和电流均方根是输入电容的重要参数.如果输入电压是 28V,那么,铝电解电 容的耐压要大于 42V(1.5*Vin) ,可选用 50V 耐压的电容.使用电容耐压值是一种保守的 方法,必要时可以对它加以修正.XL2596 的输入电容的电流均方根大约是直流负载电流的 一半,在本例中,负载电流为 3A,那么,输入电容的电流均方根至少为 1.5A,利用下图所 示的曲线图可以选择合适的电容.在曲线图中,注意 50V 的电压线所对应的电流均方根值 大于 1.50A 的电容,于是,我们就可以选出一个 680μF/50V 或者 470μF/50V 的电容.对 于选择直插元件的设计,680μF/50V 的电解电容就足够了,其他种类或其他厂家的电容可 以用来提供足够的均方根纹波电流. 对于选择表贴元件的设计, 可以选用固态钽电容, 但是, 要注意的是,必须测试电容的浪涌电流值. 上海芯龙半导体有限公司 www.xlsemi.com