建立DC-DC降压稳压器-學(xué)生项目

2021-02-26

建立DC-DC降压稳压器-學(xué)生项目

由于我已经设计了数百种开关電(diàn)源，因此我在设计过程中可(kě)能(néng)不会像在设计電(diàn)源时遇到的陷阱或问题那样具有(yǒu)教育性或信息性。从表面上看，它们似乎微不足道-添加一些電(diàn)容，IC，電(diàn)感器和一些電(diàn)阻器，对不对？電(diàn)流在开关模式電(diàn)源上循环，并且组件选择并不简单。我认為(wèi)，雇用(yòng)没有(yǒu)電(diàn)源设计经验的刚毕业的電(diàn)子工程师会更有(yǒu)趣，并让他(tā)设计一个仅符合學(xué)生项目构想文(wén)章中列出的要求的電(diàn)源。

您可(kě)以在我的GitHub页面上找到该项目的最终PCB设计。它是在开源MIT许可(kě)下发布的。由于此设计已由其他(tā)人完成，因此原理(lǐ)图样式与我的常规项目略有(yǒu)不同。

電(diàn)源要求

任務(wù)是设计一个独立的DC-DC降压转换器。对于那些对電(diàn)子产品感兴趣的人（从业余爱好者/制造商(shāng)级别到全职专业人员），了解并能(néng)够设计電(diàn)源是一项至关重要的技能(néng)。开关電(diàn)源具有(yǒu)很(hěn)高的效率，因此非常常见，因此通常不像線(xiàn)性電(diàn)源那样需要热管理(lǐ)。如前所述，实现开关模式電(diàn)源要比線(xiàn)性電(diàn)源更為(wèi)复杂-有(yǒu)了線(xiàn)性電(diàn)源，您真的不会出错。

電(diàn)源要求：

输入電(diàn)压7.0〜14.0V

输出電(diàn)压5.0V

输出電(diàn)流1.0A

这是壁式電(diàn)源适配器提供5V電(diàn)源的典型要求。您可(kě)能(néng)在房子附近的某个地方有(yǒu)一些不再需要的设备的電(diàn)源适配器，如果没有(yǒu)实验室電(diàn)源，可(kě)以使用(yòng)它来进行测试。您也可(kě)以使用(yòng)9V電(diàn)池供電(diàn)。7至14v的输入范围可(kě)与各种壁装電(diàn)源以及不同的電(diàn)池化學(xué)性质广泛兼容。

5V是非常常见的输入電(diàn)源要求，尤其是通过USB電(diàn)缆供電(diàn)时。1A的输出電(diàn)流足以满足您可(kě)以构建的大多(duō)数轻载独立项目的要求。

我离开了这位研究生工程师，决定了如何实施電(diàn)源，唯一的限制是该组件应可(kě)从DigiKey和Mouser等主要電(diàn)源轻松获得。用(yòng)不易采購(gòu)的组件构建電(diàn)源没有(yǒu)多(duō)大意义！

他(tā)选择将電(diàn)源设计作為(wèi)德州仪器（TI）TPS561208DDCR的基础。该降压转换器IC具有(yǒu)4.5V至17V的输入電(diàn)压，可(kě)在0.76 V至7V的范围内调节输出電(diàn)压，最大输出電(diàn)流為(wèi)1A，因此很(hěn)容易满足要求。而且，由于可(kě)以从所有(yǒu)主要分(fēn)销商(shāng)处購(gòu)买，因此该IC满足了易于获得的其他(tā)要求。 

此时，我会注意到，在设计1A電(diàn)源时，我通常会选择在具有(yǒu)更高额定電(diàn)流的IC周围设计電(diàn)源，因此，我電(diàn)路的最大额定功率仍在稳压器IC的容限内。实际上，这不应该成為(wèi)问题，因為(wèi)有(yǒu)某种能(néng)力可(kě)以将電(diàn)源推到其额定值之外，但我尽量不要在任何时间在其额定值的参差不齐的边缘运行任何IC。

除了要求备有(yǒu)充足库存的组件外，您还应尝试避免使用(yòng)带有(yǒu)“不建议用(yòng)于新(xīn)设计”，“ NRND”，“不再可(kě)用(yòng)”或“作废”标签的组件。这些标签意味着这些组件已经接近或已经接近生产寿命，如果还没有(yǒu)停止生产，则可(kě)能(néng)在不久的将来不再制造。尽管目前可(kě)能(néng)仍然有(yǒu)库存，但是您的项目寿命仅限于在需要重新(xīn)设计之前就耗尽了该電(diàn)源，并且可(kě)能(néng)由于電(diàn)源更改而再次通过认证。重新(xīn)设计和重新(xīn)认证可(kě)能(néng)会非常昂贵且耗时，可(kě)能(néng)会使您设计的产品处于停滞状态，没有(yǒu)任何库存可(kě)出售，

如果要检查组件的可(kě)用(yòng)性，可(kě)以单独检查每个分(fēn)销商(shāng)的库存，也可(kě)以使用(yòng)Octopart.com一次检查所有(yǒu)组件。Octopart®将使您了解部件在全球的库存情况，以便您了解库存水平和库存状况。

原理(lǐ)图设计

在我们深入研究毕业生的工作之前，我会提到大多(duō)数台式机监管机构都可(kě)在Web Bench中获得。该在線(xiàn)平台将為(wèi)您计算原理(lǐ)图以满足您的要求。尽管直接实现它可(kě)能(néng)会令人难以置信，但值得注意的是，过去在网络平台上使用(yòng)的仿真和模型存在问题。如果您在電(diàn)路设计的任何方面使用(yòng)任何计算工具，并根据其中包含的规格和公式进行计算，则应阅读数据表。这不仅可(kě)以让您仔细检查计算得出的设计，而且还可(kě)以让您仔细检查数据表，还可(kě)以更深入地了解调节器的功能(néng)。

作為(wèi)TPS561208原理(lǐ)图设计的第一步，选择了输出電(diàn)压電(diàn)阻器以将输出電(diàn)压设置為(wèi)5V。電(diàn)阻可(kě)以使用(yòng)以下公式计算：

 

如果计算微分(fēn)方程不是您的理(lǐ)想选择，那么您可(kě)能(néng)会喜欢Symbolab计算器，它可(kě)以逐步求解方程或使用(yòng)Wolfram Alpha。

选择合适的電(diàn)阻值可(kě)能(néng)会很(hěn)困难，因為(wèi)选择低電(diàn)阻值将意味着转换器不易受到噪声的影响。但是，与此同时，轻负载时的效率会降低。从数据表的推荐表中将R2電(diàn)阻的值选择為(wèi)10k Ohm，然后根据以下公式计算R1值：

 

 

由于55.104k欧姆的電(diàn)阻不是标准值，因此选择了56.2 kOhm的值，这為(wèi)我们提供了5.08 V的输出。 

 

输出電(diàn)压電(diàn)阻

该数据表建议10 uF的或更大的输入電(diàn)容器，所以被选為(wèi)22微法的電(diàn)容尽可(kě)能(néng)多(duō)9V壁适配器是相当嘈杂。

 

输入電(diàn)容

電(diàn)感器的选择可(kě)能(néng)会变得非常复杂，因此该值是从建议的组件值表中选择的：

 

推荐成分(fēn)值表

虽然，不要忘记选择额定饱和電(diàn)流和额定電(diàn)流超过1A的電(diàn)感器，这样您将获得稳定的電(diàn)感值并确保電(diàn)感器不会过热。通常，数据表还将包含一个公式，用(yòng)于计算通过電(diàn)感器的電(diàn)流，因為(wèi)電(diàn)路上的负载不一定是電(diàn)感器上的负载，这在选择正确的组件时可(kě)能(néng)是至关重要的因素。

毕业生还从数据表中的表格中选择了推荐的输出電(diàn)容器值。為(wèi)了使转换器稳定，建议输出電(diàn)容在20至68 uF之间。在该设计中，选择了单个中值47 uF電(diàn)容器。我喜欢他(tā)在安全使用(yòng)并遵守数据表的建议。大多(duō)数主要供应商(shāng)，例如德州仪器（TI）和模拟设备（ADI），都对其设备进行了广泛的测试，并在其数据表中提供了出色的建议。在電(diàn)源设计方面，您应该对功能(néng)有(yǒu)很(hěn)好的了解，并且有(yǒu)充分(fēn)的理(lǐ)由偏离数据表中的建议。例如，如果電(diàn)源上的负载快速变化，则可(kě)以选择增加更高的電(diàn)容。

除了输入和输出電(diàn)容器外，还需要一个自举電(diàn)容器来正常工作。制造商(shāng)建议使用(yòng)0.1 uF的陶瓷電(diàn)容器。

最后要选择的是连接器。有(yǒu)各种各样的连接器可(kě)供选择，以适应市场上的各种需求。毕业生决定浏览Celestial库并找到他(tā)喜欢的库，因為(wèi)没有(yǒu)对连接的要求，因此决定使用(yòng)TE Connectivity的2针端子块来简化连接線(xiàn)和测试電(diàn)路板。接線(xiàn)端子也很(hěn)容易获得，并且其他(tā)带有(yǒu)2.54 mm共同夹点的接線(xiàn)端子连接器也可(kě)以轻松替换。我对输出上的USB A型连接器同样感到满意；但是，接線(xiàn)盒确实使测试变得容易得多(duō)。

 

TPS561208DDCR降压转换器的设计原理(lǐ)图

PCB设计

在进行PCB设计时，我没有(yǒu)向我的研究生工程师提供任何投入，他(tā)在原理(lǐ)图设计方面取得了很(hěn)好的进展，没有(yǒu)陷入任何陷阱，所以我很(hěn)感兴趣地看看他(tā)如何进行PCB设计。PCB设计是您很(hěn)快就会出错的开关模式设计。当我第一次學(xué)习如何设计電(diàn)源时，我肯定犯了一些错误，这些错误导致了高度不稳定的電(diàn)源，这些電(diàn)源看起来似乎没有(yǒu)任何原因，但是那是因為(wèi)電(diàn)路板布局不佳。开关電(diàn)源如果进入不稳定状态，将无法原谅，并且当事情开始变得非常糟糕时，它将使魔术烟雾迅速散发。

他(tā)的第一个電(diàn)路板设计在美學(xué)上看起来很(hěn)出色，它紧凑并且从左到右流动得很(hěn)漂亮……但是它的性能(néng)可(kě)能(néng)会很(hěn)差。

 

由研究生工程师设计的PCB

尽管PCB看起来还可(kě)以，但是存在一些问题：

不遵循数据表中推荐的布局和设计技巧。德州仪器（TI）通常在其数据表中提供广泛的布局建议，应予以注意。您可(kě)能(néng)会认為(wèi)数据表中的布局建议是针对经验不足的工程师的，但您可(kě)能(néng)会无视它们，后果自负。该建议通常是非常合理(lǐ)的，即使您要适应所需的電(diàn)路板形状/區(qū)域并不是特别方便，也会带您进入一个布局理(lǐ)想的道路。

 

数据表中PCB的布局示例

電(diàn)感器和電(diàn)流环路的开关路径布線(xiàn)不正确，可(kě)能(néng)导致过多(duō)的串扰和EMI问题。开关稳压器的電(diàn)流环路布局会严重影响您的性能(néng)，使其超出稳压器的稳定性，并使稳压器成為(wèi)PCB上最嘈杂的东西。这可(kě)能(néng)是一种出色的方式，可(kě)通过样式使您的EMC认证不合格，然后将您送回以创建可(kě)解决问题的新(xīn)電(diàn)路板修订版。

第一次通过设计中的两个電(diàn)流环路（输入（蓝色）和输出（红色））如下所示：

 

我NPUT和第一DC-DC降压转换器设计的输出電(diàn)流回路

為(wèi)了达到EMC的目的，通过调节器的電(diàn)流路径应保持尽可(kě)能(néng)短。在这种设计中，输出電(diàn)流路径过長(cháng)。这将导致额外的噪声，开关串扰和EMI问题。電(diàn)流环路应尽可(kě)能(néng)短和宽，以最大程度地减少辐射。

為(wèi)了校正PCB板，我的主要建议是查看数据表，并研究電(diàn)流在建议布局中的流动方式。電(diàn)流以圆形方式流动，而不会交叉，而是提供電(diàn)流回路-而不是经过自身的风景优美的弯路。这部分(fēn)是為(wèi)了确保从IC到关键组件（如上文(wén)所述的输入和输出電(diàn)容器以及電(diàn)感器）的最短路径。電(diàn)容器的接地端应与稳压器IC的接地端尽可(kě)能(néng)接近，正電(diàn)压引脚也应如此。

我还建议在不依赖多(duō)边形的情况下路由每条迹線(xiàn)，然后将多(duō)边形倒在这些迹線(xiàn)的顶部。通过首先手动路由跟踪，您可(kě)以直观地看到当前路径的位置。这在地面网络上最為(wèi)关键，因為(wèi)我发现许多(duō)经验不足的工程师会增加地面灌注量并假设一切都很(hěn)好，而无需查看他(tā)们的地面是如何连接或流动的。

布局校正的第一步是正确的组件放置。组件位置取自推荐的数据表布局，并进行了少许修改以适应所选的组件。

 

遵循数据表建议的布局和设计技巧进行元件放置

第二步是手动布線(xiàn)所有(yǒu)走線(xiàn)，而无需放置多(duō)边形（甚至是地面）。跟随電(diàn)流流过输入和输出环路以及電(diàn)路的電(diàn)流，需要执行此步骤。通过这种方式，您可(kě)以看到回路将持续多(duō)長(cháng)时间以及電(diàn)流将沿哪个方向流动：

 

手动布線(xiàn)的PCB

手动路由后，您可(kě)以检查当前循环：

 

尽管输入回路的变化不大，但输出回路的变化却得到了很(hěn)大的改善

这样就形成了更具功能(néng)性的布局。第三步是在输入和输出回路中添加多(duō)边形，以便我们获得尽可(kě)能(néng)低的阻抗：

 

将多(duō)边形添加到输入和输出電(diàn)流环路

最后，将顶层和底层接地平面添加到设计中。网络已经手动布線(xiàn)，因此我们知道他(tā)的设计将具有(yǒu)良好的接地電(diàn)流路径-多(duō)边形仅增加了容量和屏蔽能(néng)力。

 

适当降压稳压器布局的PCB设计

 

PCB正确降压稳压器布局的3D视图

在更正了PCB布局之后，输出電(diàn)流环路变得更小(xiǎo)，并且输入和输出電(diàn)流环路都朝向相同的方向：

 

最终布局的当前循环

结论

简单的DC-DC降压转换器的设计并不像将線(xiàn)性稳压器放入電(diàn)路中那样简单。错误的组件选择或布局会给您的PCB带来额外的噪声，过多(duō)的電(diàn)磁辐射，最糟糕的是，不稳定的稳压器在某些负载条件下的性能(néng)会下降或立即烧毁。 

在设计可(kě)调输出稳压器的原理(lǐ)图时，您需要明智地选择输出分(fēn)压器。為(wèi)分(fēn)压器选择高阻值将提高轻载条件下稳压器的效率。但是，对噪声的敏感性会增加。选择低電(diàn)阻值，效果反之亦然。

考虑到输入電(diàn)源電(diàn)压纹波和噪声以及调节器的電(diàn)流需求（尤其是这些需求变化的速度），输入電(diàn)容器的选择可(kě)能(néng)会非常复杂。输入電(diàn)容器还将影响電(diàn)源電(diàn)压上的传导噪声電(diàn)平，如果将其传导到電(diàn)缆中，可(kě)能(néng)会引起EMC认证挑战。

开关模式稳压器上的電(diàn)感选择非常关键，要确保它不会饱和并且具有(yǒu)正确的電(diàn)感以确保有(yǒu)效运行。相位裕度和其他(tā)技术方面也会发挥作用(yòng)，并影响稳压器的稳定性，但是，这本身可(kě)能(néng)是一篇深入文(wén)章的主题。

输出電(diàn)容器的类型和参数将对输出電(diàn)压轨上的传导噪声产生重大影响。使用(yòng)错误的電(diàn)容器类型可(kě)能(néng)会為(wèi)您提供足够的電(diàn)容，但仍会在输出上提供非常高的電(diàn)压纹波，而不会进行过多(duō)的平滑处理(lǐ)。

PCB布局对于降压转换器也至关重要。对于電(diàn)流环路，走線(xiàn)应尽可(kě)能(néng)短且尽可(kě)能(néng)宽。确保输入和输出電(diàn)容器的两个引脚都有(yǒu)一条通向稳压器的简便路径。電(diàn)流环路应短而圆形，并沿相同方向流动，以降低EMI。