建立DC-DC降壓穩壓器-學(xué)生項目

2021-02-26

建立DC-DC降壓穩壓器-學(xué)生項目

由于我已經(jīng)設計了數百種開(kāi)關(guān)電源，因此我在設計過(guò)程中可能不會(huì )像在設計電源時(shí)遇到的陷阱或問(wèn)題那樣具有教育性或信息性。從表面上看，它們似乎微不足道-添加一些電容，IC，電感器和一些電阻器，對不對？電流在開(kāi)關(guān)模式電源上循環(huán)，并且組件選擇并不簡(jiǎn)單。我認為，雇用沒(méi)有電源設計經(jīng)驗的剛畢業(yè)的電子工程師會(huì )更有趣，并讓他設計一個(gè)僅符合學(xué)生項目構想文章中列出的要求的電源。

您可以在我的GitHub頁(yè)面上找到該項目的最終PCB設計。它是在開(kāi)源MIT許可下發(fā)布的。由于此設計已由其他人完成，因此原理圖樣式與我的常規項目略有不同。

電源要求

任務(wù)是設計一個(gè)獨立的DC-DC降壓轉換器。對于那些對電子產(chǎn)品感興趣的人（從業(yè)余愛(ài)好者/制造商級別到全職專(zhuān)業(yè)人員），了解并能夠設計電源是一項至關(guān)重要的技能。開(kāi)關(guān)電源具有很高的效率，因此非常常見(jiàn)，因此通常不像線(xiàn)性電源那樣需要熱管理。如前所述，實(shí)現開(kāi)關(guān)模式電源要比線(xiàn)性電源更為復雜-有了線(xiàn)性電源，您真的不會(huì )出錯。

電源要求：

輸入電壓7.0?14.0V

輸出電壓5.0V

輸出電流1.0A

這是壁式電源適配器提供5V電源的典型要求。您可能在房子附近的某個(gè)地方有一些不再需要的設備的電源適配器，如果沒(méi)有實(shí)驗室電源，可以使用它來(lái)進(jìn)行測試。您也可以使用9V電池供電。7至14v的輸入范圍可與各種壁裝電源以及不同的電池化學(xué)性質(zhì)廣泛兼容。

5V是非常常見(jiàn)的輸入電源要求，尤其是通過(guò)USB電纜供電時(shí)。1A的輸出電流足以滿(mǎn)足您可以構建的大多數輕載獨立項目的要求。

我離開(kāi)了這位研究生工程師，決定了如何實(shí)施電源，唯一的限制是該組件應可從DigiKey和Mouser等主要電源輕松獲得。用不易采購的組件構建電源沒(méi)有多大意義！

他選擇將電源設計作為德州儀器（TI）TPS561208DDCR的基礎。該降壓轉換器IC具有4.5V至17V的輸入電壓，可在0.76 V至7V的范圍內調節輸出電壓，最大輸出電流為1A，因此很容易滿(mǎn)足要求。而且，由于可以從所有主要分銷(xiāo)商處購買(mǎi)，因此該IC滿(mǎn)足了易于獲得的其他要求。 

此時(shí)，我會(huì )注意到，在設計1A電源時(shí)，我通常會(huì )選擇在具有更高額定電流的IC周?chē)O計電源，因此，我電路的最大額定功率仍在穩壓器IC的容限內。實(shí)際上，這不應該成為問(wèn)題，因為有某種能力可以將電源推到其額定值之外，但我盡量不要在任何時(shí)間在其額定值的參差不齊的邊緣運行任何IC。

除了要求備有充足庫存的組件外，您還應嘗試避免使用帶有“不建議用于新設計”，“ NRND”，“不再可用”或“作廢”標簽的組件。這些標簽意味著(zhù)這些組件已經(jīng)接近或已經(jīng)接近生產(chǎn)壽命，如果還沒(méi)有停止生產(chǎn)，則可能在不久的將來(lái)不再制造。盡管目前可能仍然有庫存，但是您的項目壽命僅限于在需要重新設計之前就耗盡了該電源，并且可能由于電源更改而再次通過(guò)認證。重新設計和重新認證可能會(huì )非常昂貴且耗時(shí)，可能會(huì )使您設計的產(chǎn)品處于停滯狀態(tài)，沒(méi)有任何庫存可出售，

如果要檢查組件的可用性，可以單獨檢查每個(gè)分銷(xiāo)商的庫存，也可以使用Octopart.com一次檢查所有組件。Octopart?將使您了解部件在全球的庫存情況，以便您了解庫存水平和庫存狀況。

原理圖設計

在我們深入研究畢業(yè)生的工作之前，我會(huì )提到大多數臺式機監管機構都可在Web Bench中獲得。該在線(xiàn)平臺將為您計算原理圖以滿(mǎn)足您的要求。盡管直接實(shí)現它可能會(huì )令人難以置信，但值得注意的是，過(guò)去在網(wǎng)絡(luò )平臺上使用的仿真和模型存在問(wèn)題。如果您在電路設計的任何方面使用任何計算工具，并根據其中包含的規格和公式進(jìn)行計算，則應閱讀數據表。這不僅可以讓您仔細檢查計算得出的設計，而且還可以讓您仔細檢查數據表，還可以更深入地了解調節器的功能。

作為TPS561208原理圖設計的第一步，選擇了輸出電壓電阻器以將輸出電壓設置為5V。電阻可以使用以下公式計算：

 

如果計算微分方程不是您的理想選擇，那么您可能會(huì )喜歡Symbolab計算器，它可以逐步求解方程或使用Wolfram Alpha。

選擇合適的電阻值可能會(huì )很困難，因為選擇低電阻值將意味著(zhù)轉換器不易受到噪聲的影響。但是，與此同時(shí)，輕負載時(shí)的效率會(huì )降低。從數據表的推薦表中將R2電阻的值選擇為10k Ohm，然后根據以下公式計算R1值：

 

 

由于55.104k歐姆的電阻不是標準值，因此選擇了56.2 kOhm的值，這為我們提供了5.08 V的輸出。 

 

輸出電壓電阻

該數據表建議10 uF的或更大的輸入電容器，所以被選為22微法的電容盡可能多9V壁適配器是相當嘈雜。

 

輸入電容

電感器的選擇可能會(huì )變得非常復雜，因此該值是從建議的組件值表中選擇的：

 

推薦成分值表

雖然，不要忘記選擇額定飽和電流和額定電流超過(guò)1A的電感器，這樣您將獲得穩定的電感值并確保電感器不會(huì )過(guò)熱。通常，數據表還將包含一個(gè)公式，用于計算通過(guò)電感器的電流，因為電路上的負載不一定是電感器上的負載，這在選擇正確的組件時(shí)可能是至關(guān)重要的因素。

畢業(yè)生還從數據表中的表格中選擇了推薦的輸出電容器值。為了使轉換器穩定，建議輸出電容在20至68 uF之間。在該設計中，選擇了單個(gè)中值47 uF電容器。我喜歡他在安全使用并遵守數據表的建議。大多數主要供應商，例如德州儀器（TI）和模擬設備（ADI），都對其設備進(jìn)行了廣泛的測試，并在其數據表中提供了出色的建議。在電源設計方面，您應該對功能有很好的了解，并且有充分的理由偏離數據表中的建議。例如，如果電源上的負載快速變化，則可以選擇增加更高的電容。

除了輸入和輸出電容器外，還需要一個(gè)自舉電容器來(lái)正常工作。制造商建議使用0.1 uF的陶瓷電容器。

最后要選擇的是連接器。有各種各樣的連接器可供選擇，以適應市場(chǎng)上的各種需求。畢業(yè)生決定瀏覽Celestial庫并找到他喜歡的庫，因為沒(méi)有對連接的要求，因此決定使用TE Connectivity的2針端子塊來(lái)簡(jiǎn)化連接線(xiàn)和測試電路板。接線(xiàn)端子也很容易獲得，并且其他帶有2.54 mm共同夾點(diǎn)的接線(xiàn)端子連接器也可以輕松替換。我對輸出上的USB A型連接器同樣感到滿(mǎn)意；但是，接線(xiàn)盒確實(shí)使測試變得容易得多。

 

TPS561208DDCR降壓轉換器的設計原理圖

PCB設計

在進(jìn)行PCB設計時(shí)，我沒(méi)有向我的研究生工程師提供任何投入，他在原理圖設計方面取得了很好的進(jìn)展，沒(méi)有陷入任何陷阱，所以我很感興趣地看看他如何進(jìn)行PCB設計。PCB設計是您很快就會(huì )出錯的開(kāi)關(guān)模式設計。當我第一次學(xué)習如何設計電源時(shí)，我肯定犯了一些錯誤，這些錯誤導致了高度不穩定的電源，這些電源看起來(lái)似乎沒(méi)有任何原因，但是那是因為電路板布局不佳。開(kāi)關(guān)電源如果進(jìn)入不穩定狀態(tài)，將無(wú)法原諒，并且當事情開(kāi)始變得非常糟糕時(shí)，它將使魔術(shù)煙霧迅速散發(fā)。

他的第一個(gè)電路板設計在美學(xué)上看起來(lái)很出色，它緊湊并且從左到右流動(dòng)得很漂亮……但是它的性能可能會(huì )很差。

 

由研究生工程師設計的PCB

盡管PCB看起來(lái)還可以，但是存在一些問(wèn)題：

不遵循數據表中推薦的布局和設計技巧。德州儀器（TI）通常在其數據表中提供廣泛的布局建議，應予以注意。您可能會(huì )認為數據表中的布局建議是針對經(jīng)驗不足的工程師的，但您可能會(huì )無(wú)視它們，后果自負。該建議通常是非常合理的，即使您要適應所需的電路板形狀/區域并不是特別方便，也會(huì )帶您進(jìn)入一個(gè)布局理想的道路。

 

數據表中PCB的布局示例

電感器和電流環(huán)路的開(kāi)關(guān)路徑布線(xiàn)不正確，可能導致過(guò)多的串擾和EMI問(wèn)題。開(kāi)關(guān)穩壓器的電流環(huán)路布局會(huì )嚴重影響您的性能，使其超出穩壓器的穩定性，并使穩壓器成為PCB上最嘈雜的東西。這可能是一種出色的方式，可通過(guò)樣式使您的EMC認證不合格，然后將您送回以創(chuàng )建可解決問(wèn)題的新電路板修訂版。

第一次通過(guò)設計中的兩個(gè)電流環(huán)路（輸入（藍色）和輸出（紅色））如下所示：

 

我NPUT和第一DC-DC降壓轉換器設計的輸出電流回路

為了達到EMC的目的，通過(guò)調節器的電流路徑應保持盡可能短。在這種設計中，輸出電流路徑過(guò)長(cháng)。這將導致額外的噪聲，開(kāi)關(guān)串擾和EMI問(wèn)題。電流環(huán)路應盡可能短和寬，以最大程度地減少輻射。

為了校正PCB板，我的主要建議是查看數據表，并研究電流在建議布局中的流動(dòng)方式。電流以圓形方式流動(dòng)，而不會(huì )交叉，而是提供電流回路-而不是經(jīng)過(guò)自身的風(fēng)景優(yōu)美的彎路。這部分是為了確保從IC到關(guān)鍵組件（如上文所述的輸入和輸出電容器以及電感器）的最短路徑。電容器的接地端應與穩壓器IC的接地端盡可能接近，正電壓引腳也應如此。

我還建議在不依賴(lài)多邊形的情況下路由每條跡線(xiàn)，然后將多邊形倒在這些跡線(xiàn)的頂部。通過(guò)首先手動(dòng)路由跟蹤，您可以直觀(guān)地看到當前路徑的位置。這在地面網(wǎng)絡(luò )上最為關(guān)鍵，因為我發(fā)現許多經(jīng)驗不足的工程師會(huì )增加地面灌注量并假設一切都很好，而無(wú)需查看他們的地面是如何連接或流動(dòng)的。

布局校正的第一步是正確的組件放置。組件位置取自推薦的數據表布局，并進(jìn)行了少許修改以適應所選的組件。

 

遵循數據表建議的布局和設計技巧進(jìn)行元件放置

第二步是手動(dòng)布線(xiàn)所有走線(xiàn)，而無(wú)需放置多邊形（甚至是地面）。跟隨電流流過(guò)輸入和輸出環(huán)路以及電路的電流，需要執行此步驟。通過(guò)這種方式，您可以看到回路將持續多長(cháng)時(shí)間以及電流將沿哪個(gè)方向流動(dòng)：

 

手動(dòng)布線(xiàn)的PCB

手動(dòng)路由后，您可以檢查當前循環(huán)：

 

盡管輸入回路的變化不大，但輸出回路的變化卻得到了很大的改善

這樣就形成了更具功能性的布局。第三步是在輸入和輸出回路中添加多邊形，以便我們獲得盡可能低的阻抗：

 

將多邊形添加到輸入和輸出電流環(huán)路

最后，將頂層和底層接地平面添加到設計中。網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)手動(dòng)布線(xiàn)，因此我們知道他的設計將具有良好的接地電流路徑-多邊形僅增加了容量和屏蔽能力。

 

適當降壓穩壓器布局的PCB設計

 

PCB正確降壓穩壓器布局的3D視圖

在更正了PCB布局之后，輸出電流環(huán)路變得更小，并且輸入和輸出電流環(huán)路都朝向相同的方向：

 

最終布局的當前循環(huán)

結論

簡(jiǎn)單的DC-DC降壓轉換器的設計并不像將線(xiàn)性穩壓器放入電路中那樣簡(jiǎn)單。錯誤的組件選擇或布局會(huì )給您的PCB帶來(lái)額外的噪聲，過(guò)多的電磁輻射，最糟糕的是，不穩定的穩壓器在某些負載條件下的性能會(huì )下降或立即燒毀。 

在設計可調輸出穩壓器的原理圖時(shí)，您需要明智地選擇輸出分壓器。為分壓器選擇高阻值將提高輕載條件下穩壓器的效率。但是，對噪聲的敏感性會(huì )增加。選擇低電阻值，效果反之亦然。

考慮到輸入電源電壓紋波和噪聲以及調節器的電流需求（尤其是這些需求變化的速度），輸入電容器的選擇可能會(huì )非常復雜。輸入電容器還將影響電源電壓上的傳導噪聲電平，如果將其傳導到電纜中，可能會(huì )引起EMC認證挑戰。

開(kāi)關(guān)模式穩壓器上的電感選擇非常關(guān)鍵，要確保它不會(huì )飽和并且具有正確的電感以確保有效運行。相位裕度和其他技術(shù)方面也會(huì )發(fā)揮作用，并影響穩壓器的穩定性，但是，這本身可能是一篇深入文章的主題。

輸出電容器的類(lèi)型和參數將對輸出電壓軌上的傳導噪聲產(chǎn)生重大影響。使用錯誤的電容器類(lèi)型可能會(huì )為您提供足夠的電容，但仍會(huì )在輸出上提供非常高的電壓紋波，而不會(huì )進(jìn)行過(guò)多的平滑處理。

PCB布局對于降壓轉換器也至關(guān)重要。對于電流環(huán)路，走線(xiàn)應盡可能短且盡可能寬。確保輸入和輸出電容器的兩個(gè)引腳都有一條通向穩壓器的簡(jiǎn)便路徑。電流環(huán)路應短而圓形，并沿相同方向流動(dòng)，以降低EMI。