车载24V至5V开关电源的分析与设计

V开关电源的分析与设计刘永春，王科，刘海涛（中国重型汽车集团技术开发中心，山东济南25000）摘要: 介绍了DC-DC（24V车辆）的分析与设计至5V）开关电源方法，使用LM2276系列电源管理芯片，详细说明电路结构，电路中组件的选择以及PCB的接线方法，并给出更详细的电路图和测试结果. 关键词: 开关电源: DC-DC；电源纹波春，王科，刘海涛（中国重型汽车集团公司技术开发中心，济南250002）摘要: 作者介绍了直流/直流车辆开关电源（24V / 5V）的故障分析设计方法. 电源管理芯片LM22676series: 详细说明其电路结构，元件选择PCB接线方法.

表示datatcircut图结果. 关键字: 开关电源； DC-DC;电源波纹电源供应是电子设备的重要组成部分. 其性能直接关系到整个系统的安全性和可靠性指标. 目前，常用的直流稳压电源分为线性电源和开关电源. 其中24v转5v电源电路图，开关电源被称为高效节能电源. 开关电源内部的关键部件工作在高频开关状态，消耗能量少，效率高. 它已广泛应用于汽车电子，通信和计算机等各个领域. 特别地，对DC-DC开关电源的需求也在增加. 因此，设计一种高效稳定的开关电源具有非常重要的应用价值. 24V或12V是该状态指定的车辆系统的标称电压，但是车辆上的传感器，CPU和某些逻辑集成芯片的电源电压通常为5V，需要进行直流电源转换，并且电池电压为24V或12V转换为5V DC电压. 本文提出了一种车载24V至5V开关电源的设计方法. 1.选择设计目标和组件结合车辆的实际应用. 在本设计中，制定了以下设计参数: 电源输入电压为24V，输入电压范围为9〜36v；输出电流2A；输出电压5V；电源纹波控制在20mV之内.

1.1电源管理芯片的选择使用美国国家半导体LM2276系列的电源管理芯片. 该芯片具有良好的线性度和负载调节特性以及内部补偿电压模式控制. 它具有4.2的宽输入电压范围. 42V. 可以驱动高达3 A的负载. 开关时钟频率由内部500kHz固定频率振荡器提供. 集成了具有3 A输出电流能力的N沟道MOSFET作为开关，并且通过该MOSFET获得90％的高效率. 还有一个使能控制输入，允许调节器以25 A的静态电流进入待机状态. 该系列产品还具有内置热关断，限流和远程关断保护功能. 该系列芯片提供两种封装形式PSOP-8和TO-263. 本文使用PSOP-8程序包. 该封装具有专为散热而设计的裸露焊盘. LM2276芯片的引脚布局如图1所示. 该电路主要由集成电源管理芯片，钳位二极管，电感器和电容器组成. MOSFET导通时，U. 通过电感到负载BOOT NC NC FB SW SW VIN GD EN焊接到GN引脚BOOT-以提供触发电压EN-使能FB-将输入转换为内部电压放大器GND -未连接接地NC-SW开关节点和LM2276芯片每个引脚的输入电源电压都已供电. 此时，电感两端的电压为正电压. MOSFET关闭时，电感器，电容器和钳位二极管形成续流回路.

由于电感器的自感，MOSFET截止的时刻. 电流从电路的左端流到右端，流过负载，从地线返回，流过钳位二极管，然后流回到电感器的左端. 该电路修订版的接收日期: 2013-07-17作者简介: 刘永春（1982年），女，工学硕士，主要从事柴油电控系统的开发与研究. 乔帕尼，《汽车电器》，2013年第9期，万方数据通过PWM保持频率不变（即500kHz开关频率），并更改脉冲宽度以调整MOSFET的导通和关断时间以保持输出电压不变. 从而达到稳压的目的. 电路框图如图2所示. 图2.该电路框图. 1.2选择输入电容器. 由于降压型DC-DC转换器的输入电流略过，因此通常将等效串联电阻R值较低的旁路电容器与铝电解电容器并联使用，以实现对电压的输入滤波. 因为铝电解电容器可以达到大容量的目的. 然而，抑制高频噪声的效果不是很好，并且等效串联电阻R也相对较大. 因此，陶瓷电容器旁边将并联连接，以弥补铝电解电容器的不足. 输入耐压和电流均方根是选择输入电容器的重要参数. 如果输入电压为“，则通常选择电解电容器的耐压值大于U的1.5倍. 此设计可以选择50V的耐压电容器. 输入电容器的电流均方根约为直流负载的一半. 在这种设计中，负载电流为2 A，那么输入电容器的电流均方根至少为1 A.

这样，根据制造商提供的电容特性曲线，与50V耐压线的电流均方根对应的电容大于1A. 1.3输出电感的计算DC-DC转换电路. 电感的选择将影响输出电流. 电感器中的电流波动与电感值成反比. 如果电感值太小，则纹波电流会很大，并将纹波电流添加到输出电流中，那么输出电流的峰值将会很大. 通常. 电感器的纹波电流通常选择为最大负载电流的20％至40％. 在这种设计中，电感器纹波电流选择为输出电流的20％. 电感值的计算方法说明如下. 占空比当MOSFET导通时，电感两端的电压为Ui. 1％在一个开关周期中，电感器电流的变化（峰峰值纹波电流）与电感器两端的电压之间的关系为. U = Lxdi / dt根据以上四个公式，电感￡ = U /（dout）=（Um-U. ）Xdt / di =（U-2U0）（1 / f. ）（玑/ um）（0.2 L）其中: （'广义输入电压； ￡，较宽的输出电压； ．Bu开关频率； ￡-电感；；较宽的输出电流. 可以计算出指定输入电压范围内的电感值. 选择合适的电感值. 然而，在选择电感器时，应注意，大电感器的瞬态响应较慢，但峰峰值输出电压纹波较小；小电感器的瞬态响应较快，但峰值-在本设计中，最大输入电压为36V时，L值经计算约为21.5 bucks H.考虑到纹波和设计成本控制的要求，标称值为实际选择了22H.

为避免电感饱和. 电感器的额定电流值至少是电路的最大输出电流值与电感器纹波电流之和. 电感器中电流的波形如图3所示. 墨水fa开关频率（..纹波电流..输出电流，峰值电流. 图3.电感器电流波形. 图1.4. 钳位二极管的选择. 钳位二极管选择一个肖特基二极管，该二极管必须具有等于或大于输入电压的反向额定电压，通常，反向耐压至少应为最大输入电压的1.25倍，并且最大耐压应为二极管必须至少为最大负载电流的1.3倍；正向压降必须很低，以免在二极管导通时产生过多的损耗；此外，由于MOSFET工作在高频工作模式，因此二极管需要恢复从导通状态到非导通状态的速度很快，状态响应速度更快，但是不建议使用超快恢复二极管，因为瞬态反向恢复可能会损坏集成电路当前. 本文使用DIODES的肖特基二极管B360B-113-F. 5.输出电容器的选择输出电容器主要与电源纹波的电压，电源纹波的电流以及输出电容器的等效串联电阻R值有关，起着过滤输出电压和输出电压的作用. 限制纹波电压. 波形电压的计算公式，以估算输出电容器的容量: A“ = 1）龚氏计算在稳态条件下，输出到负载的电流不变，因此有一个葡萄柚F杯状杯，当该杯状杯流过输出电容器，在电容器两端产生的电压变化: AUC = AQ / C =（1 / C）XA / cxdt，将积分下限设为tJ2，将积分上限设为t至计算积分: AUC = out（8xfxC.

）. 2）普通电容器具有等效串联电感和等效串联电阻. 等效串联电感仅在较高的频率下工作，在分析开关频率时可以忽略不计，但是必须考虑等效串联电阻R. 当电流杯流过等效串联电阻R时，其两端将有一个压降，其值为AU. = A / LxR，‰也将作为纹波的一部分出现在输出上. 因此，Ripple Electric“汽车电器> 2013年第9号，数据压力为70,000平方”的表达式为= A / J（8xfxC. ）+ TdLXR = A / LX [R +1 /（8xf.x gas）] : ￡'宽纹波电压；，I_纹波电流；. BU开关频率； o——输出电容. 上式是降压型开关电源纹波电压的近似表达式，每个变量都是重要的因素调整这些变量是调整纹波的主要方法，在本设计中，￡为500 kHz，并选择一个约100 pF的电解电容器（两个并联的47 µF电容器）来获得值. 1 /（8xf.xC.）为2.5mＱ. 虽然计算等效串联电阻R必须考虑很多因素，但是，在正常情况下，与某些陶瓷电容器并联的电解电容器的等效串联电阻R也可以在十到几十毫欧之间. t等效串联电阻R是影响纹波的主要因素. 该公式计算出的电容值只是一个参考值，实际上，应根据纹波的要求进行连续调试. 尽可能选择容量更大且等效串联电阻R值较小的电容器，以降低输出纹波电压.

实际上，通常使用并联连接多个电容器的方法来减小输出电容器的等效串联电阻R. 1.6电路原理图4是电路原理图. 在该电路中，BOOT和SW引脚之间的自举电容器C用于提供电源管理芯片内部的N沟道MOSFET栅极的导通电流. 该电容器需要选择一个高质量，低等效串联电阻的R陶瓷电容器，推荐电容值为lOnF. 也可以是一个自举电容器C与一个小电阻器串联（可以选择10〜50Q电阻），以延长电源管理芯片中MOSFET的导通时间，这有助于改善电路的电磁干扰，但同时也会增加开关损耗. 这使得散热性能的设计更加困难. 在该电路中仅选择了C. 图4电路原理图2 PCB板的接线方法PCB板上功率器件的正确放置和合理的布线将决定整个电源是否正常工作. 由于该开关电源的设计，开关频率相对较高. 因此，对PCB的布线有更严格的要求. 我总结了有关电源接线的以下要点. 1）首先根据功率电路在MOSFET导通和截止时绘制功率电流环路（图5）. 注意MOSFET的导通和错误'<汽车电器> 2013，No.9，关闭时的路径布线必须安排得井井有条，有一个清晰的回路，需要用较小的面积输入到地面. 保持输出电流环路的面积尽可能小. 从电流电路的入口到电流电路的出口，都应按照原则放置组件.

2）输入滤波电容器C: 和C. 应靠近总体功率部分C. 应靠近输入引脚的位置以及电流电路框图的蓝图. 另外两个电容器必须具有足够的通孔和接地连接，以便它们可以充分发挥作用. 3）续流二极管也应与地面充分连接. 4）输出电容器应并联放置，还需要增加通孔和接地连接. 5）交换节点的面积应足够大，最好用铜覆盖它. 6）接地线最容易受到干扰，因此请尝试使用大面积的覆铜布线方法. 图6是该设计的PCB布局. （A）PCB顶层PCB接线图3测量结果3.1测量波形在没有负载和有负载的情况下，分别用示波器测量了此开关电源的输出电压，电源纹波和开关节点. 获得. 效果更满意. 测量的波形如图7至图11所示. 图7输出DC电压波形图8带有负载的波纹波形带有负载的波纹波形Wanfang数据图10带有负载的开关节点的波形图11不含负载的开关节点的波形负载3.2对电源的纹波测量时的注意事项1）使用示波器交流耦合，这是通过去除叠加的直流电压而获得的准确波形. （续第3页）当前循环的尾部主要吸引同样的注意. 有几种方法可以取得成功. 1）星形连接: 通过集中的焊接点接地，这种结构是将各种电气设备通过线束内的集中焊接点进行连接，然后再进行单点接地.

这种接地结构是最简单，最容易实现的. 2）并联接地: 此结构是多个电气设备在某个点的接地. 这种结构的优点是负载之间的相互作用很小. 3）仅接地: 此结构是最理想的结构. 但是，由于电气设备过多，很难实现该方法. 只有影响安全性且不会被其他电器干扰的重要控制模块才采用这种连接方法，例如发动机ECU，组合仪表，ABS和各种模块. 接地原理: 相同类型的负载可以连接在一起；低功率或电压敏感设备（仪器，传感器）应分别接地；控制单元（ECU）类别应为单个2）开放20 MHz带宽限制，主要是为了防止高频噪声的干扰并防止测量错误的结果，因为在测量过程中高频分量的幅度很大，并且测量期间应将其移除. 3）取下示波器探头的接地夹，并使用接地环进行测量24v转5v电源电路图，目的是减少干扰. 4.结论这套电路已经达到了最初设计的设计目标. 目前，我们的开关电源被中国重汽自主开发的HOWO和A7型号采用. 主要目的是为车辆上的传感器提供5 V电源. 经过长期测试验证，证明该开关电源具有良好的稳定性和可靠性. （编辑杨静）独自接地. 大功率电器或可能产生高瞬态电流的电器不能连接至控制器和音频设备；涉及行车安全功能的电器最好单独使用.

7结束语通过了解车辆电气系统的设计过程. 我们可以更加系统和全面地考虑整车电气系统的设计，并有效地控制设计周期，以满足整车设计的需要. 商用车电气系统设计要求我们不断改进工作细节. 在每个设计阶段，节点数据的输入和输出以及质量控制确保了设计文件的标准化，系统化和标准化，从而使电气系统设计继续趋于成熟. 参考文献: [1]魏春元，等. 汽车电气电子[M]. 北京: 北京理工大学出版社. 2004: 1-240. [2] QC / T 29106-2004，汽车低压线束技术条件IS]. （编辑文章《汽车电器》 2013年第9期万万方数据

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