原标题：新型非隔离负电压DC/DC开关电源的设计

新型非隔离负电压DC/DC开关电源的设计

在现代电子测量装置中，非隔离负电压DC/DC开关电源扮演着至关重要的角色。它能够为集成电路芯片、传感器等提供必要的负电源，确保这些元件的正常工作。随着电子技术的飞速发展，对负电源的性能要求也越来越高，如稳定性、抗干扰能力、带负载能力等。本文将详细介绍一种新型非隔离负电压DC/DC开关电源的设计方案，包括优选元器件型号、器件作用、选择理由以及元器件的功能等。

一、设计背景与需求

传统的非隔离负电压开关电源通常有两类电路拓扑结构，一种较为简单，另一种则能提供更小的输出纹波电压和更强的带负载能力。然而，更复杂的电路结构由于控制电路的复杂性，市场尚未普及这种结构的负电压开关电源控制芯片。因此，设计一种性能优越、结构相对简单的新型非隔离负电压DC/DC开关电源显得尤为重要。

在设计过程中，我们需要考虑以下几个关键因素：

1. 输出稳定性：确保输出电压在各种负载条件下都能保持稳定。

2. 抗干扰能力：提高电源的抗干扰能力，确保在复杂电磁环境中也能正常工作。

3. 带负载能力：增强电源的带负载能力，满足不同应用场景的需求。

4. 效率：提高电源转换效率，减少能量损耗。

二、优选元器件型号及其作用

1. 电源控制器：LT1935

作用：LT1935是一款含有峰值电流控制电路和斜坡补偿电路的开关电源控制器，它能够提供很好的电源动态响应，并且还能快速实现过电流保护，增加系统的可靠性。

选择理由：

• 峰值电流控制：相比传统的电压控制，峰值电流控制能够更有效地抑制输出电流的波动，降低输出纹波电流的影响，从而提升系统的带负载能力和效率。

• 内部集成控制电路：LT1935内部集成了所需的控制电路，不需要额外设计复杂的反馈回路，简化了电路设计。

• 快速过电流保护：能够快速响应过电流情况，确保系统的安全性。

功能：

• 控制开关管的导通和关断，实现电压转换。

• 提供峰值电流控制，确保输出电流的稳定。

• 实现过电流保护，防止电源损坏。

2. 开关管：MOSFET（如IRF540）

作用：作为开关电源的核心开关元件，MOSFET负责控制电源的导通和关断，实现电压的转换。

选择理由：

• 低导通电阻：IRF540具有较低的导通电阻（Rdson），能够减少功率损耗，提高转换效率。

• 高开关速度：快速的开关速度能够减少开关过程中的能量损耗，提高电源的动态响应。

• 耐压值高：IRF540的耐压值较高，能够满足不同输入电压的需求。

功能：

• 在控制信号的作用下导通或关断，控制电源的输出。

• 承受高电压和大电流，确保电源的正常工作。

3. 电感：功率电感（如33μH）

作用：电感在开关电源中起着储能和滤波的作用，能够平滑输出电压，减少纹波。

选择理由：

• 合适的电感值：33μH的电感值能够平衡输出纹波和动态响应，确保电源的稳定输出。

• 低直流电阻：低直流电阻能够减少电感本身的功耗，提高能量转换效率。

• 高饱和电流：高饱和电流能够满足大电流输出的需求，增强电源的带负载能力。

功能：

• 在开关管导通时储存能量，在开关管关断时释放能量，维持输出电压的稳定。

• 滤除输出电压中的高频噪声和纹波，提高电源的质量。

4. 输出电容：钽电容（如10μF）

作用：输出电容用于平滑输出电压，减少纹波和噪声。

选择理由：

• 低等效串联电阻（ESR）：钽电容具有较低的ESR，能够减少电容上的功率损耗，提高电源的稳定性。

• 大容量：10μF的容量能够满足大多数应用场景的需求，确保输出电压的平稳。

• 高耐压值：高耐压值能够确保电容在高压环境下也能正常工作。

功能：

• 储存电荷，平滑输出电压。

• 滤除输出电压中的低频噪声和纹波。

5. 续流二极管：肖特基二极管（如1N5819）

作用：续流二极管在开关管关断时提供一个低阻抗回路，使电感释放能量，维持输出电压的稳定。

选择理由：

• 低压降：肖特基二极管具有较低的导通压降，能够减少能量损耗。

• 快恢复时间：快速的恢复时间能够减少开关过程中的电压尖峰和振荡，提高电源的稳定性。

• 高反向击穿电压：高反向击穿电压能够确保二极管在高压环境下也能正常工作。

功能：

• 在开关管关断时提供续流回路，防止输出电压突然下降。

• 保护开关管免受反向电压的冲击。

6. 稳压管：如VD2和VD3

作用：稳压管用于实现过电压保护，防止过高的直流电源对电源控制器造成损害。

选择理由：

• 稳定的击穿电压：稳压管具有稳定的击穿电压，能够在过电压时及时导通，保护电源控制器。

• 快速响应：快速的响应速度能够确保在过电压发生时及时保护电源。

• 小功率损耗：在正常工作电压下，稳压管的功率损耗较小，不会影响电源的效率。

功能：

• 在过电压时导通，将过高的电压钳位在安全范围内。

• 保护电源控制器免受过电压的损害。

三、电路设计原理

1. 电路拓扑结构

本文设计的非隔离负电压DC/DC开关电源采用Buck电路拓扑结构。Buck电路是一种降压型DC/DC转换器，通过控制开关管的导通和关断时间，实现输出电压的调节。

2. 工作原理

当电源控制器LT1935内部的功率三极管导通时，直流电源给输出电感L1和输出电容C1充电。此时，电感L1储存能量，电容C1平滑输出电压。当电源控制器LT1935内部的功率三极管关断时，输出电感L1中的电流改由通过肖特基二极管VD1提供的低阻抗回路继续给输出电容C1充电直至下一个周期电源控制器LT1935内部的功率三极管再次导通。这样，电容C1在输出电感L1储存能量和释放能量的过程中均获得充电，从而减小了输出纹波电压。

同时，在连续电流模式（CCM）下，输出电流在LT1935内部功率三极管的导通和关断期间均通过输出电感L1，这很大程度上抑制了输出电流的波动，降低了输出纹波电流的影响，进而大大增加系统的带负载能力和效率。

3. 反馈控制回路

反馈控制回路采用了峰值电流控制。由于采用了电源控制器LT1935，其内部集成了峰值电路控制电路和斜坡补偿电路，非隔离负电压DC/DC开关电源反馈回路设计即转换为补偿网络设计。这样大大简化了反馈回路的设计，同时提高了系统的动态响应和可靠性。

四、补偿网络设计

补偿网络的设计分为两个部分：电流内环和电压外环。通过这个网络，可以实现对非隔离负电压DC/DC开关电源的精确控制。

1. 电流内环

电流内环用于控制输出电感电流，确保其在设定范围内波动。通过检测输出电感电流，并将其与设定值进行比较，调整开关管的导通时间，实现电流的稳定控制。

2. 电压外环

电压外环用于控制输出电压，确保其在设定值附近波动。通过检测输出电压，并将其与设定值进行比较，调整电流内环的设定值，实现电压的稳定控制。

在设计补偿网络时，需要考虑系统的稳态特性和动态响应。通过合理的选择补偿元件的参数，如电容、电阻等，可以使系统获得较满意的动态补偿效果。

五、实验验证与结果分析

为了验证本文设计的非隔离负电压DC/DC开关电源的性能，我们进行了实验研究。实验电路的主要参数为：输入电压Vi=-24V，输出电压Vo=-15V，输出电感L1=33μH，输出电容C1=10μF，二极管VD1为肖特基二极管1N5819。

1. 实验结果

通过实验测试，我们得到了以下结果：

• 输出电压波形：在满载情况下，输出电压波形稳定，纹波电压较小。

• 电感电流波形：电感电流在开关管的导通和关断期间均保持连续，波动较小。

• 系统效率：通过测量输入功率和输出功率，计算得到系统的转换效率较高。

2. 结果分析

从实验结果可以看出，本文设计的非隔离负电压DC/DC开关电源具有以下优点：

• 输出电压稳定：在各种负载条件下，输出电压都能保持稳定。

• 纹波电压小：通过合理的电路设计和元件选择，有效地抑制了输出纹波电压。

• 带负载能力强：在连续电流模式下，输出电容能够通过输出电感得到持续充电，从而增强了电源的带负载能力。

• 效率高：通过选择低损耗的元件和合理的电路设计，提高了电源的转换效率。

六、总结与展望

本文提出了一种基于峰值电流控制的新型非隔离负电压DC/DC开关电源设计方案。通过优选元器件型号、合理设计电路拓扑结构和补偿网络，实现了输出电压的稳定、纹波电压的抑制、带负载能力的增强以及效率的提高。实验结果表明，该设计方案具有可行性、有效性和实用性。

展望未来，随着电子技术的不断发展，对负电源的性能要求也将越来越高。因此，我们需要不断优化电路设计、提高元件性能、降低成本和体积等方面进行研究和探索。例如，可以采用新型半导体材料（如SiC、GaN等）来提高开关管的性能和效率；可以研究更先进的控制算法来提高系统的动态响应和稳定性；还可以探索更高效的电路拓扑结构来进一步降低纹波电压和提高带负载能力等。相信在不久的将来，非隔离负电压DC/DC开关电源将在更多领域得到广泛应用和发展。