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DC2——DC電源電路設(shè)計考慮

時間:Thu May 26 2022 00:11:27 GMT+0800 (China Standard Time)

這是設(shè)計注意的第二部分,里面很大的一部分是細(xì)節(jié)的總結(jié)。正規(guī)一些的做法,是將這些內(nèi)容整理成Lesson Learn的格式,對于某些敘述性的,可以作為導(dǎo)言,檢查性的作為Check List,在產(chǎn)品評審的時候,作為審查的注意點。

一般注意事項

1、使用開關(guān)電源無非是應(yīng)用它效率高,體積小等優(yōu)點,因為它的效率來自于開關(guān)頻率,所以會存在不希望出現(xiàn)的EMI干擾問題。

2、設(shè)計的時候需要讓電源工工作CCM模式,而DCM模式電源功耗與紋波比較大,在設(shè)計的時候必須考慮到輕載與重載模式。

3、輸出紋波是一個非常重要的指標(biāo),對于DDR或者核心邏輯器件芯片的供電來講,電源的波動將導(dǎo)致問題的后果很嚴(yán)重。

4、目前使用的小功率的DC-DC 的工作頻率一般在300KHZ-3MHZ,在復(fù)雜電路使用的時候特別注意干擾問題,比如AM收音機(jī)等。

5、DC/DC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的噪聲大致分為紋波噪聲和尖峰噪聲:

紋波噪聲是當(dāng)開關(guān)動作引起的線圈電流、儲存在線圈中的電流能量釋放到負(fù)載電容(CL)時,電容的ESR(串聯(lián)等價電阻)和直流電流中產(chǎn)生的噪聲。

根據(jù)電容的種類有很大差異。 使用ESR成分多的鉭電容及鋁電解電容時噪聲增大,使用陶瓷電容等低ESR 電容時則較小,成正弦波式的紋波波形。

尖峰噪聲是隨當(dāng)開關(guān)動作轉(zhuǎn)換的時機(jī)產(chǎn)生的高頻噪聲,其原因主要在于驅(qū)動晶體管陡峭地啟動或停止時而產(chǎn)生的。當(dāng)需要觀測尖峰噪聲時,必須注意測定方法。

根據(jù)測定用布線的處理方法,有可能不能正確地測定。特別需要注意的是探頭附近的接地處理。為了不讓探針收集噪聲而實施取消探針接地等處理,必須把探針端子以最短距離直接與引腳接觸。

常見的失敗中,有在測定器的高頻過濾器開關(guān)成導(dǎo)通狀態(tài)時進(jìn)行測定的事例。DC/DC 轉(zhuǎn)換器的尖峰噪聲為20~50MHz的高頻噪聲。在高頻過濾器成導(dǎo)通狀態(tài)時是測定不出的。

6、DC/DC 轉(zhuǎn)換器電路應(yīng)重視的項目有:穩(wěn)定工作(=不會因異常振動等誤動作、燒損、過電壓而損壞)效率高,輸出紋波小,負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)好

7、具體電路參數(shù)計算請使用“開關(guān)電源Buck與Boost電路元件參數(shù)評估與計算.xlsx”

8、電源模塊是否標(biāo)注負(fù)載的最大電流.效率

電源模塊是否滿足輸入端電壓要求

一、開關(guān)電源的輸出濾波電容是否選擇合理,

a、開關(guān)噪聲濾波電容(一般是陶瓷電容或鉭電容)

b、高頻噪聲濾波電容(一般是陶瓷電容)

c、計算開關(guān)紋波電壓,負(fù)載變動時的紋波。

d、考慮負(fù)載變動時的蓄能電容(一般是電解電容,鉭電容)

二、開關(guān)電源輸入端是否評估增加濾波電感,用于降低開關(guān)電源EMI干擾。車機(jī)等帶收音功能產(chǎn)品的主電源必須有輸入電感隔離。

三、開關(guān)電源輸入濾波電感取值是否合理,經(jīng)過計算、輸出電感的值選擇應(yīng)該按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與實際應(yīng)用電路計算得到。 四、電源IC的散熱計算及OCP,OVP,OTP防護(hù)等級,及預(yù)設(shè)值的參數(shù)是否合理。

五、非同步開關(guān)電源模塊的續(xù)流二極管是否滿足電流,電壓,散熱要求

六、降壓型開關(guān)電源要避免工作在不連續(xù)模式。帶FM/AM功能的產(chǎn)品的開關(guān)電源禁止進(jìn)入不連續(xù)模式工作。

七、電源模塊需要有短路保護(hù)功能

干擾&EMC的考慮事項

1、LDO輸出端濾波電容選取時,應(yīng)注意參照手冊要求的最小電容、電容的ESR/ESL等要求確保輸出電壓穩(wěn)定,推薦采用多個等值電容并聯(lián)的方式,增加可靠性以及提高濾波效果。

2、所有主電源及分支電源需要增加O歐姆電阻、濾波電感、或者磁珠,一方面可以改善電壓紋波,另一方面好方便測試整機(jī)的功耗

3、GPS、GPRS、BlueTooth、WiFi、EartherNet等高頻模塊的主控電源,

a、需要單獨供電最好使用LDO供電,增加電感或磁珠,防止高頻電源噪聲串?dāng)_

b、濾波電容建議采用多個等值電容并聯(lián)的方式,以增加可靠性以及提高濾波效果

4、EN腳的需要有上下拉電阻與去耦電容,如果使用PWM使能,還需要考慮到PWM的頻率

5、建議在設(shè)計原理圖的時候先畫框圖,然后根據(jù)框圖畫出系統(tǒng)的電源供電樹,方便計算整體電流與功耗

6、考慮電源的EMI(傳導(dǎo)與輻射) Layout要保證功率環(huán)路面積小,地平面大,輸入電容靠近芯片,SW盡可能短,改善傳導(dǎo),可以在輸入端加一個π型濾波器

7、BUCK轉(zhuǎn)換器的輸入電容在開關(guān)頻率點的阻抗應(yīng)該遠(yuǎn)小于電源阻抗,以減少開關(guān)對電源的干擾。

a、容值建議選10uF以上。而使用電解電容,推薦容值220uF以上,建議使用X5R或X7R陶瓷電容作為輸入電容。

b、如果用電解電容,必須并上104或者105的瓷片電容。

c、耐壓選擇:對于電解電容和陶瓷電容,耐壓應(yīng)為1.5倍輸出電壓;對于鉭電容,耐壓應(yīng)為2倍輸出電壓,輸出電容所能承受的RMS電流需要計算。

8、 紋波的測量也極其重要,否側(cè)無法準(zhǔn)確定位干擾。

9、對于電源模塊電路或者PMIC電路布線規(guī)則、布局規(guī)則等設(shè)置是否合理

環(huán)路設(shè)計(所需經(jīng)典控制理論,環(huán)路穩(wěn)定性分析)

1、RFB反饋電阻選擇:DC/DC反饋網(wǎng)絡(luò)的電阻不能太大,一般使用10K到幾十K(1%),反饋網(wǎng)絡(luò)的上分壓電阻并聯(lián)的電容不能過大,一般是10PF左右,也可根據(jù)開關(guān)頻率計算選擇最近值,沒有特殊要求也可選擇不加。

a、因為流向RFB1、RFB2 的電流沒有被作為輸出功率使用,而視作DC/DC 轉(zhuǎn)換器的損失

b、提高輕負(fù)載時的效率的話,要將RFB1、RFB2 設(shè)定得大一些(RFB1+RFB2<1MΩ左右)。

c、提高重負(fù)載時的瞬態(tài)響應(yīng)的話,則要做好輕負(fù)載時的效率差的準(zhǔn)備。

d、使用FB(反饋)時,RFB1、RFB2 用于決定輸出電壓,對同一輸出電壓有時可考慮多種組合。

e、此時選擇RFB1+RFB2=150kΩ~500kΩ比較妥當(dāng)。這里成為問題的是輕負(fù)載時的效率和重負(fù)載時的輸出穩(wěn)定性。

2、CFB前饋電容的選擇

a、CFB(和上反饋電阻并聯(lián)的電容)是紋波反饋調(diào)整用電容器相位補(bǔ)償電容,該值也會影響負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

b、過小于該值或過大于該值工作穩(wěn)定性都差

PCB設(shè)計

1、PCB設(shè)計時布局很關(guān)鍵,對于開關(guān)節(jié)點處和輸入輸出電容的位置需要按照規(guī)則處理。

2、反饋電阻靠近IC FB 輸入端且接地腳必須會到IC的GND腳;反饋的走線也不要走的過粗了,一般0.2mm左右就可以了,避免引入噪聲,電阻也必須使用至少1%的。

3、反饋電阻 遠(yuǎn)離SW信號,否則容易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定.并且取樣需要從輸出電容取。

4、盡量用一層布局和走線,盡量少用或不用過孔,特別是關(guān)鍵走線。

5、 開關(guān)電源部分不允許出現(xiàn)其他走線,且需要單獨做預(yù)留屏蔽框處理。


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