1 引言
2 元件选型
2.1 芯片选择
2.2 电容选择
2.3 电感选择
3 PCB布局及走线
4 开关管的选择
1 引言
一般市面上的电源,可以分为线性电源和开关电源。线性电源就是通常讲得LDO电源,这种电源的传输能量元件工作在线性区,传输元件没有开关的跳变;限于降压转换,很少用到升压的应用。线性电源能够提供很稳定的输出电压,但是提供电流能力很弱,一般在1A以下。线性电源由于一直工作在线性区,这样在输入电压和输出电压压差较大的时候,传输元件就要承受较大的电压差,这样损耗就很大,效率不高,效率一般在30%~50%之间。线性电源一般用在对电流要求不高的场合,一般在10W以下。开关电源是通过传输器件开关(场效应管、MOSFET、IGBT),在每个周期完全接通和完全切断的状态来传递能量。开关电源至少包括一个电能储能的元件,电感或者电容,具有降压、升压以及降压-升压等多种拓扑,有隔离型和非隔离型等。开关电源输出电压的稳定性没有线性电源好,开关电源由于是通过传输器件在一个周期内开通和关断,然后通过输出滤波来获得能量,因此输出电压就夹杂着没有滤除干净的纹波和开关周期的高次谐波等,但是开关电源能够具有很强的输出电流能力,在对输出电压纹波要求不是特别高的环境下,一般都可以用开关电源供电,开关电源的效率也比线性电源高很多,一般在85%以上。
随着微电子技术的发展,集成电路的工作电压越来越低,速度越来越快。集成电路工作电压由5V,变成了现在的3.3V,1.8V,1.2V,1V以及0.8V等,芯片需要的电压越来越低,可是芯片对于电流的需求确是越来越大,像FPGA、DDR以及CPU等,在某一时刻可能需要几十安培甚至几百安培的电流,并且要求其供电电路体积小、高效率、散热好。
根据需求,本次需要设计一款DC-DC的电源模块,输入电压为12V,输出电压为1V,输出电流为20A。由以上分析可知,采用开关电源的方式来实现是明智的选择。输入电压12V,输出电压1V,是一个降压模式,电路拓扑结构选择BUCK电路拓扑。
2元件选型
2.1芯片选择
由于是一款降压型的电源模块,在芯片选择时最好也选择降压型芯片,本次选择TI的降压芯片TPS40304。TPS40304在开关频率部分添加了扩频频谱特性,显著降低了峰值EMI噪声,使其更加容易符号EMI标准,芯片具有多种用户可编程功能,包括软启动、过流保护(OCP)电平以及环路补偿。OCP电平可以通过从LDRV引脚(低侧驱动引脚)连接到电路接地的单个外部电阻器进行编程。在初始通电过程中,芯片将进入校准环节,测量LDRV引脚电压,并设置内部OCP电压电平。工作期间,器件可在通电时通过将已编程OCP电平电压与低侧开关管上的压降进行比较来确定是否发生过流情况,之后,芯片会进入关断和重启周期直到故障消除为止。TPS40304输入电压范围3V至20V,开关频率为600KHZ,电流检测采用高侧和低侧的开关管的漏极和源极开通时的电阻,具有可编程软启动功能,反馈的基准电压为600mV,
图1 TPS40304芯片顶部示意图
表1所示为TPS40304的引脚功能描述。
表1 TPS40304引脚功能描述
软启动电容计算公式:
CSS是EN / SS引脚上所需的电容。
ISS是软启动源电流(10μA)。
VFB是反馈参考电压(0.6 V)。
tSS是所需的软启动斜坡时间(s)。
并联限流电阻选择:
IOCSET是内部电流源。
VOCLOS是总偏移电压。
IP-P是峰峰值电感电流。
RDS(ON)是低端FET的源极导通电阻的漏极。
IOUT(max)是OCP的跳变点。
ROCSET是用于设置OCP电平的电阻。
输出滤波电感L的计算公式为:
VIN(max)最大输入电压。
VOUT是输出电压。
IOUT输出电流。
Fsw开关频率
L输出电感值
输出滤波电容C的计算公式为:
ITRAN(max)为瞬态电流
L为滤波电感
VOUT输出电压
Vover输出过压值
输出滤波电容的ESR值计算公式:
VRIPPLE(total) 最大纹波电压
IRIPPLE最大纹波电流
输入电容的计算公式:
Iload负载电流
VRIPPLE(CAP)电容上的纹波电压值
输入电容ESR值的计算公式:
2.2 电容选择
电容的选择主要是输入电容和输出电容的选择,输入电容和输出电容值的选择一般都比计算值要大几倍,特别是输出电容值,当需要用在大电流的场合时,由于在某时刻集成电路芯片需要大电流,但是输入电源和电源管理芯片不能及时补充大电流,在这种情况下,输出大电容就相当于一个电源来给集成电路芯片供电。如果输出电容值小,提供大电流的时候会把电压拉低。
输入电容选择三颗电容,一颗是贴片铝电解电容,这颗电容容值大为330uF,耐压值25V,ESR值为160mW,其余两颗电容为贴片陶瓷电容主要用来滤除输入电压的高次谐波,以及降低输入电容的整体ESR值。
如图2所示为输入电容
图2 输入电容
输出电容选择一颗钽电容和两颗贴片陶瓷电容。钽电容的温度系数很好,体积小容量大,ESR值小等许多优点,但是钽电容的耐压值很小,不适合用于超过几十伏电压的场合。但是对于1V的电压是绝对够了。输出钽电容容值为220uF,耐压值为6.3V,ESR值为23mW。两颗贴片陶瓷电容主要是为了滤除高次谐波。
图3所示为输出电容。
图3 输出滤波电容
2.3 电感选择
由电感的计算公式可计算出电感量L=255nH,考虑到此电感值不易购买,就选择了380nH的电感。输出的滤波电感可以自己绕制,但是像这种电感量很小,通过的电流又很大的电感,购买成品电感还是比较方便的。在购买电感的时候,一般都会考察成品电感的几个值。首先是电感量能不能满足要求,其次电感电流的额定值要符合要求,以及电感的封装是否满足散热要求等等。通过计算可知本次流过电感上电流的最大电流为23A,那选择的成品电感要承受的电流值至少为25A。
本次选择的电感为Pulse厂家的,电感型号:PG0077.401NLT。电感参数为0.38uH/35A,电感封装为尺寸为13*14.5mm的SMT。如图4所示为本次所选的电感值。
图4 输出滤波电感
3 PCB布局及走线
对于开关电源的PCB布局及走线是一个很重要的环节,不是说原理图是正确的后续的工作就没有了,其实原理图设计的完成只能证明电路原理上是正确的,并不能说明按照这个原理图所设计出的电路板能正常工作,因为PCB合理布局及走线会很大程度上影响电路的正常工作,例如PCB布局不合理,首先会表现出来的就是电路的抗干扰能力差,并且对外辐射能力强。对于走大电流的开关电源而言,PCB布局不合理会造成电路板发热很严重。所以说PCB布局及走线在开关电源的设计中占据很大一部分。对于走高速信号的PCB板更是如此。对于开关电源的布局走线的规则有很多,大体上可归结为为大功率元件放在顶层,贴片放在底层;高电压线以及大电流走线的线宽要达到要求,最好是以敷铜的形式;功率环路和反馈环路要小且两者最好要有一定间距;元件之间要有一定的间隔,元件到PCB边缘要有一定的间隔;芯片供电引脚上并联的电容要尽量靠近芯片电源引脚等等。以下就本次设计的PCB布局走线的一点建议。
将芯片的VDD引脚连接至输入电源VIN时,尽可能靠近高端FET的漏极连接,以避免引入额外的压降,从而触发短路保护。将VDD和BP上并联的电容放置在器件2mm范围内,电容另一端连接的GND引脚连接到TPS40304芯片的Thermal Pad 散热焊盘上;将输出电压VOUT放置在TPS40304芯片反馈FB引脚2mm范围内的FB电阻上;如果使用BJT或MOSFET来禁用EN/SS,将其放置在距设备5mm的范围内;使用至少10mil的走线将EN/SS至GND的电容连接到Thermal Pad;若使用补偿引脚COMP至GND的电阻,将电阻放置在TPS40304器件5mm范围内;所有COPM和FB走线应保持最小线宽,并尽可能短,以尽量减少噪声耦合;EN/SS的走线距离设备不应该超过20mm;如果使用多个层,则扩展的GND要位于FB,COMP和EN/SS所有元件下,以降低噪声灵敏度;HDRV和LDRV连接到开关管的栅极的走线距离要短,尽量在5mm内以降低走线电感;在HDRV和LDRV与开关管栅极之间放置的电阻不超过1W;使用至少10mil宽的走线将BOOT放置在距离器件4mm的SW引脚电阻和电容内;如果必须在HDRV,SW和LDRV引脚及其各自的开关管之间使用过孔,则至少使用两个过孔来减少寄生电感。如图5所示为电路原理图,图6所示为PCB布局及走线的顶层和底层。图7为电路板的焊接图
图5 电路原理图
PCB顶层布局及走线
PCB底层布局及走线
图6 PCB的布局及走线
图7 电路板正反面
4 开关管的选择
开关电源中开关的选择要考虑许多因素,例如漏源之间的耐压值;能通过多大电流;开关管的寄生电容以及漏源导通时的电阻值还有封装价格等。本次所设计的电源电路是一个同步整流的BUCK电路,因此需要两个开关管。选择的是TI公司的CSD16410Q5A、CSD16321Q5。
CSD16410Q5A的Vds为25V,Id为59A,Rds(on)为9.6mW,导通时延、上升时间、下降时延以及下降时间都很短,最大的才为10.7ns,满足TPS40304的驱动频率600KHZ。CSD16321Q5的Vds为25V,Id为100A,Rds(on)为2.8mW,导通时延、上升时间、下降时延以及下降时间都很短,最大的为30ns,满足关断时间的需求。如图8所示是两个开关管。
图8 MOSFET 实物图