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          【實戰(zhàn)】一個Buck電路設(shè)計的完整過程

          作者: 時間:2024-08-01 來源:硬十 收藏

          設(shè)計需求:

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202408/461604.htm

          硬十開發(fā)的一塊基于安路EG4X20BG256的板卡。該系統(tǒng)應(yīng)用于一個USB傳輸,可以進行多通道ADC數(shù)據(jù)采集的項目。

          整體框圖如下:



          實物如下:



          1、Buck控制器選型



          電源框圖制作過程,可以參考前期文檔:

          硬件總體設(shè)計之 “專題分析”

          我們可以看到在電源樹中,分別需要實現(xiàn):

          5V→3.3V@2A

          5V→1.2V@2A

          5V→2.5V@2A

          此處我們選型的Buck電源控制器(集成Mosfet)是杰華特的JW5359

          從Datasheet我們可以看到:

          1、輸入電壓范圍滿足要求4.5V~18V

          2、輸出電流可以達到2A,滿足要求。

          3、效率達到95%

          4、支持輕載模式FCCM、PFM

          5、開關(guān)頻率600kHz

          如下圖 所示為本模塊的電路原理圖,具體內(nèi)容可以簡化為輸入部分、控制部分、輸出部分以及反饋部分。輸入部分:電容C1電阻R1、R2;控制部分:JW5359M芯片以及自舉電路C2;輸出部分:電感L、電容C3、C4;反饋部分:電阻R3、R4以及電容C5。

          電源模塊原理圖

          本模塊需要實現(xiàn)一個DC-DC的電源轉(zhuǎn)換功能,其輸入為5V,輸出為3.3V/2A。選擇JW5359M這款芯片,JW5359M的輸入范圍為4.5V-18V之間,輸出電壓范圍為0.765V-VIN*Dmax,最大輸出電流2A。JW5359M的特點有: 基于I2架構(gòu)的單片降壓開關(guān)穩(wěn)壓器、開關(guān)頻率為600KHZ、內(nèi)部軟啟動、效率高達95%以及熱保護等。如圖1.2所示為其引腳圖。

          GND:接地端

          SW:開關(guān)輸出引腳

          VIN:電源輸入端,并接一個電容來儲能和去耦

          FB:反饋端

          EN:使能引腳端

          BST:自舉電容的引腳端,在SW和BST引腳之間接一個0.1uF的電容以形成浮動電壓來驅(qū)動JW5359M內(nèi)上端的開關(guān)管。BST電容失效,芯片會過熱或者不能工作。

          選擇此顆芯片的主要原因:

          a、能供得上貨

          b、已經(jīng)完成批量發(fā)貨,經(jīng)過市場檢驗

          c、價格有優(yōu)勢

          d、國產(chǎn)芯片

          e、溫度范圍ok


          2 電容選型

          2.1輸入電容選型

          輸入電容的主要目的是儲能和濾波,以防止輸出需要大電流的時候,外部供電模塊來不及供電,從而導(dǎo)致輸出電壓跌落的現(xiàn)象。

          根據(jù)JW5359M的數(shù)據(jù)手冊可知輸入電容的計算公式1:

          公式1:

          Buck電路開關(guān)電源的輸入電容應(yīng)該選多大?

          ILOAD為輸出電流2A,fs為開關(guān)頻率600KHZ,C1為輸入電容,Vout為輸出電壓3.3V,VIN為輸入電壓5V,△VIN為輸入紋波電壓。本模塊JW5359M數(shù)據(jù)手冊中推薦的22uF的貼片陶瓷電容,可計算出△VIN為34mV。在選擇輸入電容的時候首先要保證電容的耐壓值為供電模塊的1.5倍。這里選擇一個22uF/10V的X5R或X7R貼片陶瓷電容。輸入電容器可以是電解的、鉭或陶瓷的。為了減少潛在噪聲,在使用電解電容器時,應(yīng)盡可能放置一個小型X5R或X7R陶瓷電容器,例如0.1uF/10V的貼片陶瓷電容來濾除輸入直流電壓中的高頻信號。

          電容上本身的ESL并不大,但是經(jīng)常會有因為輸入電容較遠或者地線較遠引入較大的ESL在輸入端引起較大的尖峰,導(dǎo)致芯片供電異?;蛘咝酒琈OSFET過壓擊穿。

          2.2輸出電容選型

          關(guān)于Buck電源的輸出電容的容值如何計算?

          輸出濾波電容值可通過計算得到,但是一般在選擇電容值的時候通常會選擇1.2-2倍計算出的電容值或選擇更大的電容量,在PCB面積允許的條件下最好多個電容并聯(lián)。由于輸出濾波電容和輸出電感會形成兩個極點,這會導(dǎo)致電路輸出不正常,具體表現(xiàn)為輸出紋波較大、輸出上升沿有強烈的振蕩等。所以在選擇電容值的時候也要適當(dāng)考慮電感值。由JW5359M數(shù)據(jù)手冊可知輸出電容和公式2相關(guān):

          公式2:

          L為輸出濾波電感,RESR為輸出電容器的等效串聯(lián)電阻值,COUT為輸出電容值。故根據(jù)輸出紋波的要求可大致得到輸出電容的大小,在選擇電容的時候一般都會選擇電容值更大點的電容。對于開關(guān)電源模塊,電源自身會產(chǎn)生和開關(guān)頻率一致的電源紋波,始終疊加在電源上輸出。輸出紋波也會由輸出電容的內(nèi)阻所引起,不斷的給輸出電容充放電,充電電流在輸出電容的內(nèi)阻RESR兩端就會有壓降,這個就會產(chǎn)生輸出紋波,所以在選擇輸出電容的時候盡量選擇RESR較小的貼片陶瓷電容而不是電解電容,選擇幾個電容并聯(lián)也是為了降低輸出內(nèi)阻。控制回路的響應(yīng)較快(COT),開關(guān)頻率較高,或者負(fù)載變化不大的場合用瓷片電容即可。本模塊選擇兩個22uF/6.3V的貼片陶瓷電容并聯(lián),可以減小RESR。Vout計算約11mV。

          3電感選型

          【開關(guān)電源系列】Buck電路選擇輸出電感

          輸出電感的主要作用是用來穩(wěn)定輸出電流以及儲能,輸出電感和輸出電容組成的LC濾波電路主要用來平滑輸出電壓,使輸出電壓是一個穩(wěn)定的直流。在選擇輸出電感的時候,除了要考慮電感值的大小外更要考慮電感所能抑制的電流值。對于BUCK開關(guān)變換器的輸出電感的電流額定值最少是1.2倍的輸出電流。電感電流額定值最少為超過負(fù)載電流的30%。對于大多數(shù)的設(shè)計,電感值可由公式3得到:

          公式3:

          △IL為電感的斜坡電流,其大小一般為電感電流最大值的30%。根據(jù)手冊選擇電感為3.3uH 。我們用的是NR5040-3.3UH,其額定電流可達3.4A。

          4、電阻選型

          反饋部分電阻的選擇,JW5359M通過外接反饋電阻形成一個閉環(huán)的電路,從而使輸出穩(wěn)定在3.3V。通過R3和R4的分壓得到反饋電壓,F(xiàn)B感知輸出電壓,并由控制回路調(diào)節(jié)到0.765V。在FB處連接一個電阻式分頻器。數(shù)據(jù)手冊中推薦R4的大小在16KΩ左右,本模塊選擇16KΩ。故R3可由公式4得:

          公式4:

          由于Vout=3.3V,選擇R3=53KΩ。通??紤]到未來相位裕量和響應(yīng)速度的調(diào)整,可以根據(jù)規(guī)格書的推薦預(yù)留前饋電容C5的位置。

          使能電阻R1、R2的選擇。EN引腳用來控制芯片是否工作,當(dāng)VIN降至預(yù)設(shè)值時,EN降至1.05V以下以觸發(fā)輸入欠壓鎖定保護。根據(jù)手冊推薦R1和R2選擇100KΩ。


          5、最終原理圖:


          • 6、 Layout設(shè)計

          (1) VCC電容應(yīng)就近放置在芯片的VCC管腳和芯片的信號地之間,盡量在一層,沒有過孔對于信號地(AGND)和功率地PGND在一個管腳的芯片,同樣就近和該管腳連接以減少寄生電感的存在,因為輸入電流不連續(xù),寄生電感引起的噪聲對芯片的耐壓以及邏輯單元造成不良影響。高頻環(huán)路的環(huán)路越小,磁場能量越小。如圖2.1

          (2) FB是芯片最敏感,最容易受干擾的部分,是引起系統(tǒng)不穩(wěn)定的最常見原因

          1. FB電阻連接到FB管腳可能短,減少噪聲的耦合

          2. 遠離噪聲源,SW點(開關(guān)節(jié)點),電感,二極管(非同步buck)

          3. FB的下分壓電阻通常接信號地AGND


          3) 同步BUCK的方式,續(xù)流路徑要經(jīng)過芯片的GND管腳,輸入電容要接在芯片的GNDVin之間,路徑盡可能的短粗。

          4) 放置電感不需要和放置輸入電容一樣距離IC那么近,以最小化開關(guān)節(jié)點的輻射噪聲。一般不建議電感下面鋪銅,接地層出現(xiàn)的渦流會導(dǎo)致電感的感量變小。電感下不同的PCB設(shè)計如圖2.1

          5 輸出濾波電容盡可能的靠近電感。高頻環(huán)路的環(huán)路越小,磁場能量越小。圖2.2

          (6) SW點是噪聲源,保證電流的同時保持盡量小的面積,遠離敏感的易受干擾的位置。減小節(jié)點面積和更換體積更小的電感,可以減弱電場場強,如圖

          7、測試

          電源紋波測試

          輸入電壓測試

          本次測試使用的設(shè)備有:電腦USB接口、鼎陽牌SDS1102X-C數(shù)字示波器以及萬用表。

          圖為SDS1102X-C數(shù)字示波器,圖3.12為FPAG開發(fā)板。

          SDS1102X-C數(shù)字示波器

          電路板上電

          如圖所示為5V輸入電壓的測試波形,從示波器上可以看出,輸出電壓為5V直流電壓。

          輸入電壓測試圖

          下圖為輸入電壓的紋波測試圖,是通過把示波器的耦合方式選擇交流耦合測試出來的。從示波器上可以讀出,輸入電壓紋波的峰峰值為43.2mV。

          輸入紋波測試圖

          下圖所示為輸出電壓上電的測試圖,從示波器上可以看出,輸出電壓最大值是3.40V,輸出電壓上升沿平緩,沒有振鈴和電壓過沖等現(xiàn)象。

          輸出電壓上電測試圖

          下圖為輸出電壓的紋波,從示波器中可以看出,紋波的峰峰值為44mV

          輸出紋波測試圖




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