48V至3.3V稳压器设计项目

2020-07-13

我计划在48V電(diàn)源上运行照明面板，这使我可(kě)以大幅度降低对微控制器供電(diàn)的3.3VI需求。我需要一个具有(yǒu)宽输入電(diàn)压范围的降压稳压器，该稳压器可(kě)以在非常低的占空比下运行。我需要低占空比，因為(wèi)電(diàn)流消耗会很(hěn)小(xiǎo)。话虽这么说，一些稳压器不太喜欢，或者只是不允许输入到输出電(diàn)压有(yǒu)如此大的差距。在寻找稳压器之前，我需要弄清楚ESP32的功耗是多(duō)少。其中包含各种州的電(diàn)流消耗表，这為(wèi)我提供了一个很(hěn)好的基准。那里的表建议正常运行電(diàn)流约為(wèi)20-50mA，全速传输数据时建议高达250mA。

由于空闲状态下的大压降和低電(diàn)流消耗，我不确定電(diàn)源输出的稳定性如何，因此我将调节電(diàn)源至4.0V，而不是直接降至3.3V。这个较高的電(diàn)压将使我能(néng)够使用(yòng)低压差線(xiàn)性稳压器（LDO）获得最终的3.3V。通过在开关電(diàn)源之后使用(yòng)線(xiàn)性稳压器，我可(kě)以获得非常稳定的低噪声输出，这将使ESP32中的无線(xiàn)電(diàn)保持愉快状态，并使所有(yǒu)设备平稳运行。

决定使用(yòng)LDO并知道需要提供约250mA電(diàn)流后，我正在寻找一种单片（完全集成）稳压器IC，该器件可(kě)以在30-250mA的電(diàn)流下从43-53V输入提供4.0V電(diàn)压。我决定采用(yòng)3x3mm DFN封装的Analog Devices LT8619。3-60V的非常宽的输入范围，尤其是30ns的“快速最小(xiǎo)接通时间”，吸引了我。它也是一个相当低的噪声LDO，对于处理(lǐ)RF或音频应用(yòng)的任何事物(wù)都是有(yǒu)利的。

電(diàn)源设计

電(diàn)源设计是一个反复的过程。如果更改一个组件值或操作条件，则需要重新(xīn)计算所有(yǒu)其他(tā)值和条件，以确保所做的选择仍然有(yǒu)效。对我而言，这是选择调节器，然后设计所需时间最多(duō)的原理(lǐ)图的方面。

开关频率

尽管稳压器IC是高效率部件，但我只是不太期望在将要利用(yòng)的低電(diàn)流消耗下提高效率。因此，选择良好的开关频率尤為(wèi)重要。较高的频率往往会為(wèi)您提供更小(xiǎo)的组件，但是，我需要了解具有(yǒu)占空比的最小(xiǎo)导通时间。较低的频率将提供较高的效率和较大的输入電(diàn)压范围，但以较大值的元件為(wèi)代价。经过多(duō)次计算之后，我将以最低频率300kHz运行稳压器。

我最初计算的设计约為(wèi)1250kHz，但是在完成布局并仔细查看所有(yǒu)公式之后，我意识到稳压器永遠(yuǎn)不会在该频率下进入强制连续模式。即使在300kHz时，它也可(kě)能(néng)没有(yǒu)，但至少有(yǒu)机会以最低频率进入更有(yǒu)效的运行模式。

在300kHz时，我的占空比应為(wèi)8.35％，最小(xiǎo)导通时间為(wèi)257nS。在250mA的满负载下，效率将高达85％，但是在50mA的负载下，效率下降到56％，这相当令人沮丧。从绝对值来看，损耗实际上只有(yǒu)160mW，很(hěn)小(xiǎo)，但是由于涉及的功率如此之小(xiǎo)，它所占的比重很(hěn)大。与以前的单片LED驱动器 IC项目不同，在这个项目中温度对我来说不是问题，因為(wèi)即使效率如此之低，我也希望DFN封装的温度只会上升6.5°C（43° C / Wθja。）

電(diàn)感选择

既然已经确定了开关频率，就可(kě)以為(wèi)電(diàn)源选择一个電(diàn)感器。我计算出，在我们的300kHz开关频率下，最佳電(diàn)感约為(wèi)25.52uH，在低成本封装中，最接近我的选择是22uH和27uH。

最初，我担心将适合最初计划的1258kHz频率的低DCR電(diàn)感器更改為(wèi)具有(yǒu)相似占位面积但電(diàn)阻更高的電(diàn)感器。我觉得130毫欧的電(diàn)阻应该可(kě)以，因為(wèi)我没有(yǒu)通过它。数据表证实了这一点。虽然建议的電(diàn)阻為(wèi)40毫欧左右，但数据表却指出，以100毫欧為(wèi)代价是一个不错的折衷选择，但会牺牲效率。尽管这样做可(kě)能(néng)还不错，但我不愿意為(wèi)了节省一些重新(xīn)设计的时间而在工程设计上做出取舍。如果较小(xiǎo)的電(diàn)感器便宜得多(duō)，或者具有(yǒu)其他(tā)优势，我可(kě)能(néng)会坚持使用(yòng)，但是我唯一值得注意的优势就是节省了一些精力。因此，我们将在本文(wén)后面介绍两种设计。

反馈電(diàn)容

稳压器使用(yòng)分(fēn)压器进行反馈，就像其他(tā)稳压器一样。但是，考虑到電(diàn)压差和负载较小(xiǎo)，我认為(wèi)模拟反馈环路是一个好主意。在分(fēn)压器的上臂上没有(yǒu)電(diàn)容器时，相位裕度低于绝对最小(xiǎo)额定值30度。通过在分(fēn)压器顶部電(diàn)阻上添加一个3300pF電(diàn)容器，我能(néng)够使相位裕量提高到约52度，这高于建议的最低45度。这大大改善了负载瞬态曲線(xiàn)。

不带C7的负载瞬变。右：用(yòng)C7加载瞬态

输入过滤器

我在其他(tā)一些项目中提到了对开关電(diàn)源的输入进行滤波的重要性。通常，我们会花(huā)很(hěn)多(duō)精力对输出进行滤波，以确保我们几乎没有(yǒu)EMI和来自下游電(diàn)源的纹波，从而减少了電(diàn)路问题。当您进行合规性测试时，这种对下游过滤和输入过滤的疏忽的关注可(kě)能(néng)会再次吸引您。

上面是开关電(diàn)源输入端的传导EMI的仿真。红線(xiàn)是CISPR25限制，如果要通过汽車(chē)用(yòng)途认证，则需要遵守这些限制。该设计并非旨在用(yòng)于汽車(chē)用(yòng)途，但这是一个易于使用(yòng)的示例。灰色混乱是没有(yǒu)滤波器的传导EMI。它显然严重超出了限制。您可(kě)能(néng)只需要在左下角和右下角划出的蓝色走線(xiàn)就是带有(yǒu)基本PI滤波器的传导EMI。

VIN和VILT之间的简单PI滤波器

这种简单，低成本的滤波器在106.16MHz时提供超过50dBμV的裕量，而不是失败时超过20dBμV。上图中的C3和C4是调节器的现有(yǒu)输入電(diàn)容，仅在设计中添加了C1 / C2和L1。

電(diàn)磁兼容性不是产品的可(kě)选部分(fēn)，它是强制性要求，因此在设计任何东西时都必须放在您的首位。您切换的電(diàn)流越多(duō)，您就需要更多(duō)地关注传导和辐射发射的潜在来源。

線(xiàn)性稳压器

正如我在本文(wén)开头提到的那样，我想在开关模式電(diàn)源的最终输出阶段使用(yòng)線(xiàn)性稳压器。这是由于以下事实：ESP32中的无線(xiàn)電(diàn)需要具有(yǒu)清洁電(diàn)源以实现最佳性能(néng)，并且提供清洁電(diàn)源的最佳方法是通过線(xiàn)性稳压器。線(xiàn)性稳压器将提供来自开关模式稳压器的最终電(diàn)源清理(lǐ)功能(néng)，并且压降只有(yǒu)4V至3.3V，将产生很(hěn)少的热量。

使用(yòng)Diodes Inc AP2112K的低压差線(xiàn)性稳压器

我為(wèi)此设计选择了一个相对通用(yòng)的Diodes Inc AP2112K稳压器，SOT-23-5封装紧凑，但足够大，可(kě)以承受该项目的電(diàn)流/热量。我在稳压器中寻找的主要规格是压差電(diàn)压。在输入和输出之间具有(yǒu)0.7V的最大可(kě)接受压差電(diàn)压，这排除了很(hěn)多(duō)选择。AP211K的压差電(diàn)压為(wèi)0.4V，符合我的要求。此外，它非常便宜，总是很(hěn)好。

線(xiàn)性稳压器在支撑组件方面几乎不需要。電(diàn)容為(wèi)1μF时，输出将稳定。我的输入端也有(yǒu)1μF的電(diàn)容，主要是為(wèi)了在稳压器附近安装一个去耦電(diàn)容。开关電(diàn)源上的大量输出電(diàn)容将超过任何输入電(diàn)容要求。

在我的实现中（将使用(yòng)此稳压器），ESP32将在模块旁边具有(yǒu)它自己的大容量電(diàn)容和去耦電(diàn)容器，因此尽管更大的大容量電(diàn)容对于设计可(kě)能(néng)是有(yǒu)利的，但这超出了本项目的范围。对于该设计，具有(yǒu)足够的電(diàn)容来确保稳压器的稳定输出就足够了。

成品示意图

原理(lǐ)图的其余部分(fēn)相对简单。我们在输出上有(yǒu)去耦電(diàn)容器，以确保下游几乎没有(yǒu)纹波，欠压锁定分(fēn)压器以及用(yòng)于视觉反馈调节器工作状态的LED。LED还在开关模式稳压器上增加了一点额外负载，这将略微提高其工作效率。

初始電(diàn)路板设计

如前所述，我本来是用(yòng)一块6mm的方形電(diàn)感设计该板的，该電(diàn)感非常适合较高的开关频率。

最初设计的带有(yǒu)6mm方電(diàn)感的電(diàn)路板

上图中的PCB在布線(xiàn)之后