開(kāi)關(guān)電源是一種采用電子開(kāi)關(guān)器件（如晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、可控硅閘流管等）通過(guò)控制電路使電子器件不停地“接通”和“關(guān)斷”讓電子開(kāi)關(guān)器件對(duì)輸入電壓進(jìn)行脈沖調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)電壓變換的直流穩(wěn)定電源。它以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種電子終端設(shè)備中，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。尤其近年來(lái)隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，作為核心的開(kāi)關(guān)器件頻率越來(lái)越高，并且集成度越來(lái)越高，這無(wú)疑給設(shè)計(jì)師對(duì)電路設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的方便。

本文以TI公司的TPS5430芯片為核心，介紹整個(gè)開(kāi)關(guān)電源模塊的設(shè)計(jì)方法。

TPS5430具有良好的特性，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，體積小，外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，其方便的特性大大減少了項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)周期，本文介紹的設(shè)計(jì)是用于MEMS微鏡驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電源，整個(gè)電源模塊設(shè)計(jì)為三個(gè)通道分別是12V、5V和可調(diào)電壓。12V電源主要供給運(yùn)放及信號(hào)處理模塊，5V電源供給DA模塊和CPU的LDO芯片，可調(diào)模塊主要供給外部放大電路的偏置部分。

TPS5430各項(xiàng)性能及主要參數(shù)如下： 
（1） 高電流輸出：3A； 
（2） 寬電壓輸入范圍：5.5-36V; 
（3） 高轉(zhuǎn)換效率：最佳狀況可達(dá)95%； 
（4） 寬電壓輸出范圍：5.5-36V; 
（5） 內(nèi)部補(bǔ)償使外部器件數(shù)量最小化； 
（6） 固定500KHz轉(zhuǎn)換效率； 
（7） 有過(guò)流保護(hù)及熱關(guān)斷功能； 
（8） 具有使能開(kāi)關(guān)腳，內(nèi)部軟啟動(dòng)。 
引腳分配圖如下：

引腳定義如下

圖5是MEMS驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的供電原理圖，根據(jù)參數(shù)計(jì)算和分析設(shè)計(jì)出原理圖，所需參數(shù)的計(jì)算如下： 
（1） 輸入紋波電壓 

根據(jù)TPS5430的特征可知Iout=3A,輸入電阻設(shè)為10UF，fSW=500KHz，輸入電容的等效串聯(lián)電阻ESRMAX由于采用了低ESR的電容器，并且并聯(lián)了0.1UF的小電容，此電阻值在此處忽略不計(jì)。由此計(jì)算輸入紋波電壓約為150mv。 
（2） 輸出電感的選擇 

KIND為輸出電感紋波電流與輸出最大電流的比例系數(shù)，在TPS5430中取0.2-0.3.其他參數(shù)可根據(jù)需求進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，在這里L(fēng)取15uH。 
（3） 輸出電容的選擇

電容的選擇決定輸出波形的穩(wěn)定程度，此處計(jì)算公式如下 

其中 Lout=15uH， fco為穿越頻率即伏頻特性曲線(xiàn)中0增益位置的頻率此處為18kHz， Vout為設(shè)定的輸出電壓值此處取5V為例，計(jì)算得出為220uF。 
（4） 輸出紋波電壓 

根據(jù)以上公式可以算出ESR的值為0.04歐姆，Nc為輸出并聯(lián)電容的個(gè)數(shù)計(jì)算得出Vpp(MAX)=7mV. 
（5） 輸出電壓設(shè)置 

輸出電壓主要有電阻R1和R2決定，電壓的參考值為1.221V由此可以得出Vout的值。 
二、PCB設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)電源的PCB設(shè)計(jì)一直是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，尤其是布局和布線(xiàn)更是整個(gè)模塊性能的關(guān)鍵所在。TI公司提供了一版參考設(shè)計(jì)，如圖6所示。

圖6 TI公司參考layout

整個(gè)設(shè)計(jì)要嚴(yán)格按照參考設(shè)計(jì)進(jìn)行，尤其是布局和布線(xiàn)，在與參考設(shè)計(jì)不同的位置布局及布線(xiàn)時(shí)要考慮到信號(hào)完成性和電磁兼容性的相關(guān)問(wèn)題，線(xiàn)寬的控制，電流的回流面積最小化，屏蔽孔的分布和數(shù)量控制等問(wèn)題都仔細(xì)處理。布線(xiàn)最好采用鋪銅皮的方式進(jìn)行，這樣可以控制走線(xiàn)的面積和形狀，盡量保證地的完整，盡量不要分割獨(dú)立的地出來(lái)，對(duì)高速信號(hào)的位置更要仔細(xì)處理，走線(xiàn)盡量不要有過(guò)孔。

三、實(shí)際應(yīng)用

整個(gè)電源模塊設(shè)計(jì)最終應(yīng)用于MEMS微鏡驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，因此對(duì)電源上電和下電瞬間的波形都需要監(jiān)控，否則可能在瞬間產(chǎn)生大的浪涌電壓對(duì)微鏡驅(qū)動(dòng)臂產(chǎn)生較大沖擊降低微鏡使用壽命，甚至損壞微鏡。因此還需要做出安全保護(hù)系統(tǒng)來(lái)保護(hù)上電下電瞬間的危險(xiǎn)信號(hào)（此處安全保護(hù)不做介紹）。 
如若將此模塊應(yīng)用到其他系統(tǒng)還需要考慮幾路電源的上電順序，尤其是對(duì)上電順序要求較高的系統(tǒng)里。 
開(kāi)關(guān)電源生活中所占的市場(chǎng)越來(lái)越大，很多大的廠(chǎng)家都提供了較合理的解決方案及芯片，這為工程師的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)提供了很大的幫助。電源系統(tǒng)是一個(gè)很復(fù)雜的學(xué)科，開(kāi)關(guān)電源作為電源系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，更是需要工程師們?nèi)パ芯繉W(xué)習(xí)。