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DC/DC应用概要

已有 1972 次阅读| 2015-5-14 12:08

  
 
原理图设计要点:
1.
输入电压12V,输出5V;假设平均负载电流为2A;取50%裕量,输入输出必须达到18V、3A,MP1584最大输入电压为28V,最大电流输出5A,满足要求。
2.
DC/DC占空比为5V/12V=0.4167;假设最大负载电流为3A,则最大输入电流为Iout*D=3*0.4167=1.251A,续流二极管D1最大平均电流Id=Iout*(1-D)=3*0.5833=1.7499A;
3.
D1选取:耐压12V*150%=18V,平均连续电流1.75A,最大尖峰电流=Iout=3A,SK34满足要求;
4.
C10:自举作用,要严格按照Datasheet要求取值,D33起辅助作用,电流小,对耐压亦无特殊要求,可省略;
5.
电感L1的选型:平均电感电流IL=Iout=2A,最大电感电流>3A,电感量计算比较复杂,请参考电源芯片datasheet;
6.
C5:前馈作用,能起到拓宽闭环带宽的作用,可以提高电源芯片的瞬态输出能力,pF量级,这里不贴;
7.
C11和R10:内部误差放大器输出端相位补偿,牺牲带宽使芯片系统趋于稳定;
8.
R6和C6组成snubber,用于吸收DC/DC内部高侧MOS管打开关闭时带来的振铃,C6选得太大会降低电源效率,太小了起不到保护低侧开关的效果,一般取低侧开关等效电容的2倍;R6主要起阻尼作用,将谐振能量以热能形式快速消耗掉,一般为几Ω到数十Ω;
9.
C1 C2 C3 C4不同量级的电容用于滤波,因为不同封装的电容ESL不一样,滤波频率不同。大封装的大电容ESL大,谐振频率低,小封装的小电容,自谐振频率高,使用3个以上不同量级不同封装的电容滤波,效果更好。此外,并联多个小容量的陶瓷电容使ESR更低,可以减小输出电源纹波。
 
PCB布线设计要点
   
    在讨论PCB布线之前先复习下感应电动势的概念:当导体周围的磁力线匝数产生变化时,导体两端将产生感应电压。感应电压E=nΔΦ/Δt=LΔI/Δt,L:电感系数,ΔI:变化电流,Δt:所用时间,ΔI/Δt:电流变化率。即当电流变化率一定时,感应电压与L成正比。开关电源在开关闭合与打开时,某个瞬间某些PCB走线的电流会瞬间停止(因为闭合回路断开了)。这就是DC/DC在LAYOUT时要注意的“关键走线”,在每个开关转换周期,这些关键走线都会产生很高的ΔI/Δt,由E=LΔI/Δt可知将产生严重的感应电压(噪声)。这些感应电压尖峰可能会导致控制单元失效,导致灾难性后果。因为负载电流确定,DC/DC各个分立元器件参数已经确定,所以ΔI/Δt已定,要想减小噪声电压,只能尽可能减小L,在这里L为回路自感,因为走线越长,电感越大,所以关键走线要尽量短。以下示意图标出了开关电源各种拓扑结构的关键走线:
 
开关电源芯片应用时LAYOUT设计要点:
1.
磁珠FB5和跳点K1是在原理图设计阶段预留的,好处是在调试的时候可以方便测量验证输入输出电流大小,确保电路设计的可靠性,定版时可以去掉。
2.
输入电容C8C9,续流二极管只在瞬间打开和关闭的情况之一下工作,有很高的ΔI/Δt,在BUCK电路中,这两者是最关键的,它们的布线应该尽量宽而短。所以要求靠近芯片摆放,使回路最小。并且两者接地要和芯片的地引脚通过平面连接在一起。如下图,高亮元器件为输入输出电容和续流二极管与芯片地的连接方式。

3.
输入输出电源路径在换层时要覆整块的铜箔走线,如上图中的FB5和跳点K1,还有芯片地引脚接到地平面的方式。换层的地方多打几个过孔,减小ESL,并且过孔与过孔之间的距离要大于过孔直径(减小过孔之间的互感,进一步降低ESL)。
4.
如果功率电感L1是非屏蔽的,其正下方(图中网格部分)不要覆地,防止磁场干扰。
5.
反馈回路采样电压,从输出电容的焊盘引出,绕开续流二极管和功率电感回到芯片FB引脚,不能从两者下面走线。
6.
散热问题,根据需要在芯片正下方打热过孔到背面的开窗铜平面散热。如图中的焊盘9。

 

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