基于CPCI的嵌入式單板計(jì)算機(jī)電源的設(shè)計(jì)方案

3．1 參數(shù)配置

3．1．1 輸出電壓

輸出電壓值的選擇較簡(jiǎn)單，由連接在VOUT和VFR間的2只電阻分壓得到。其公式為：

圖2中，分壓電阻為2只精度為1％的電阻R680和R682(分別對(duì)應(yīng)R1，R2)，代入式(1)，計(jì)算其輸出電壓VOUT=1．495 V。

3．1．2 開(kāi)關(guān)頻率

LT3501的開(kāi)關(guān)頻率由連接在RT／SYNC引腳上的電阻決定，如圖3所示。當(dāng)電阻從15．4 kΩ增加到133 kΩ時(shí)，其開(kāi)關(guān)頻率從1．5 MHz減小到250 kHz。為減小外連的電感和電容的尺寸，便于PCB設(shè)計(jì)，開(kāi)關(guān)頻率選擇較高的f=1．2 MHz。則根據(jù)圖3所示曲線，其電阻值為20．6 kΩ。

3．1．3 電感值

對(duì)于開(kāi)關(guān)電源，電感的取值非常重要。根據(jù)LT3501的數(shù)據(jù)手冊(cè)公式：

式中，DC指占空比，其最小值DCMIN=tON(MIN)×f=0．24。VD是捕捉二極管的正向壓降，其值約為0．4 V。

假如最大輸出電流需3 A，由式(2)可計(jì)算電感L至少為1．2μH。

為提高效率，減小輸出紋波，要求電感：額定電流的有效值應(yīng)大于最大負(fù)載電流；同時(shí)其飽和電流值應(yīng)大于30％；直流電阻值應(yīng)小于0．05 Ω，其電感值應(yīng)大于理論值。據(jù)此，系統(tǒng)選擇PB03316-1R5MT，該電感的電感值為1．5μH，直流電阻為0．010Ω，額定電流有效值為8．0 A，飽和電流為6．4 A。選定電感值后，就可將其代入式(2)計(jì)算紋波電流△IL為0．8 A。

3．1．4 輸入電容和輸出電容

由于開(kāi)關(guān)電源的輸入是以脈沖形式為輸出提供電流，并且其上升和下降時(shí)間非?？?。

因此。需用輸入電容濾出電壓紋波，以減小EMI。并可使用4．7μF或更大的X7R或X5R型電容旁路輸入信號(hào)，也可使用鉭電容和較小容量的陶瓷電容并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)。陶瓷電容應(yīng)盡可能靠近器件的輸入引腳。

輸出電容濾波流過(guò)電感的電流，以得到紋波很小的輸出電壓。同時(shí)，其儲(chǔ)能功能還可滿足瞬間負(fù)載，并穩(wěn)定LT3501的控制環(huán)路。LT3501的控制環(huán)路采用電流模式，對(duì)輸出電容的RESR(串連等效電阻)沒(méi)有要求。

因此，可以采用陶瓷電容來(lái)作輸出電容。輸出電容的值可以根據(jù)式(3)估算。其中MLS(Max Load Step)為最大電流負(fù)載的跳變，例如：該系統(tǒng)MLS為3A。

輸出電壓的紋波可按式(4)和(5)估算：式(4)計(jì)算陶瓷電容，式(5)計(jì)算鉭電容或鋁電解電容。系統(tǒng)采用溫度特性較好的X7R型陶瓷電容與鉭電容并聯(lián)。利用式(4)計(jì)算出紋波電壓約0．56 mV，滿足CPU和其他電路對(duì)電源紋波的要求。

3．2 PCB布局

對(duì)于開(kāi)關(guān)電源，PCB的布局非常重要。當(dāng)開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)，電路的部分支路存在很大的階躍電流。該電流主要在器件內(nèi)部的開(kāi)關(guān)管、外面的環(huán)流二極管和輸入電容之間流動(dòng)。由這些元件構(gòu)成的環(huán)路應(yīng)盡可能的小。在布局時(shí)，這些器件以及電感和輸出電容應(yīng)該布局在電路板的同一層，其連線也盡可能在同一層完成。在這些元件的下面，有一塊連續(xù)的局部地。該局部地與系統(tǒng)地的連接采用單點(diǎn)連接方法，連接點(diǎn)最好選在輸出電容的接地端。另外，SW和BST信號(hào)的布線要盡可能的短。 LT3501器件的底部有裸露的leadframe，該結(jié)構(gòu)散熱良好。在設(shè)計(jì)PCB時(shí)?？稍谄骷撞康膶?duì)應(yīng)位置放一塊覆銅，并通過(guò)多個(gè)過(guò)孔與內(nèi)層的大面積覆銅連接。

4、結(jié)論

分析該系統(tǒng)的功耗，在考慮一定冗余的基礎(chǔ)上，利用3種電源器件設(shè)計(jì)該嵌入式系統(tǒng)的電源電路。并使用MAX705電源監(jiān)控器件提高系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)已成功在多個(gè)實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證，并且表現(xiàn)良好。