DC-DC 电源电路设计考虑2

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简介:这是设计注意的第二部分,里面很大的一部分是细节的总结。正规一些的做法,是将这些内容整理成Lesson Learn的格式,对于某些叙述性的,可以作为导言,检查性的作为Check List,在产品评审的时候,作为审查的注意点。

这是设计注意的第二部分,里面很大的一部分是细节的总结。正规一些的做法,是将这些内容整理成Lesson Learn的格式,对于某些叙述性的,可以作为导言,检查性的作为Check List,在产品评审的时候,作为审查的注意点。

一般注意事项

使用开关电源无非是应用它效率高,体积小等优点,因为它的效率来自于开关频率,所以会存在不希望出现的EMI干扰问题。

设计的时候需要让电源工工作CCM模式,而DCM模式电源功耗与纹波比较大,在设计的时候必须考虑到轻载与重载模式。

输出纹波是一个非常重要的指标,对于DDR或者核心逻辑器件芯片的供电来讲,电源的波动将导致问题的后果很严重。

目前使用的小功率的DC-DC 的工作频率一般在300KHZ-3MHZ,在复杂电路使用的时候特别注意干扰问题,比如AM收音机等。

DC/DC 转换器产生的噪声大致分为纹波噪声和尖峰噪声:

纹波噪声是当开关动作引起的线圈电流、储存在线圈中的电流能量释放到负载电容(CL)时,电容的ESR(串联等价电阻)和直流电流中产生的噪声。

根据电容的种类有很大差异。 使用ESR成分多的钽电容及铝电解电容时噪声增大,使用陶瓷电容等低ESR 电容时则较小,成正弦波式的纹波波形。

尖峰噪声是随当开关动作转换的时机产生的高频噪声,其原因主要在于驱动晶体管陡峭地启动或停止时而产生的。当需要观测尖峰噪声时,必须注意测定方法。

根据测定用布线的处理方法,有可能不能正确地测定。特别需要注意的是探头附近的接地处理。为了不让探针收集噪声而实施取消探针接地等处理,必须把探针端子以最短距离直接与引脚接触。

常见的失败中,有在测定器的高频过滤器开关成导通状态时进行测定的事例。DC/DC 转换器的尖峰噪声为20~50MHz的高频噪声。在高频过滤器成导通状态时是测定不出的。

DC/DC 转换器电路应重视的项目有:稳定工作(=不会因异常振动等误动作、烧损、过电压而损坏)效率高,输出纹波小,负载瞬态响应好

具体电路参数计算请使用“开关电源Buck与Boost电路元件参数评估与计算.xlsx”

电源模块是否标注负载的最大电流.效率

电源模块是否满足输入端电压要求

开关电源的输出滤波电容是否选择合理,

开关噪声滤波电容(一般是陶瓷电容或钽电容)

高频噪声滤波电容(一般是陶瓷电容)

计算开关纹波电压,负载变动时的纹波。

考虑负载变动时的蓄能电容(一般是电解电容,钽电容)

开关电源输入端是否评估增加滤波电感,用于降低开关电源EMI干扰。车机等带收音功能产品的主电源必须有输入电感隔离。

开关电源输入滤波电感取值是否合理,经过计算、输出电感的值选择应该按照拓扑结构与实际应用电路计算得到。

电源IC的散热计算及OCP,OVP,OTP防护等级,及预设值的参数是否合理。

非同步开关电源模块的续流二极管是否满足电流,电压,散热要求

降压型开关电源要避免工作在不连续模式。带FM/AM功能的产品的开关电源禁止进入不连续模式工作。

电源模块需要有短路保护功能

干扰&EMC的考虑事项

LDO输出端滤波电容选取时,应注意参照手册要求的最小电容、电容的ESR/ESL等要求确保输出电压稳定,推荐采用多个等值电容并联的方式,增加可靠性以及提高滤波效果。

所有主电源及分支电源需要增加O欧姆电阻、滤波电感、或者磁珠,一方面可以改善电压纹波,另一方面好方便测试整机的功耗

GPS、GPRS、BlueTooth、WiFi、EartherNet等高频模块的主控电源,

需要单独供电最好使用LDO供电,增加电感或磁珠,防止高频电源噪声串扰

滤波电容建议采用多个等值电容并联的方式,以增加可靠性以及提高滤波效果

EN脚的需要有上下拉电阻与去耦电容,如果使用PWM使能,还需要考虑到PWM的频率

建议在设计原理图的时候先画框图,然后根据框图画出系统的电源供电树,方便计算整体电流与功耗

考虑电源的EMI(传导与辐射) Layout要保证功率环路面积小,地平面大,输入电容靠近芯片,SW尽可能短,改善传导,可以在输入端加一个π型滤波器

BUCK转换器的输入电容在开关频率点的阻抗应该远小于电源阻抗,以减少开关对电源的干扰。

容值建议选10uF以上。而使用电解电容,推荐容值220uF以上,建议使用X5R或X7R陶瓷电容作为输入电容。

如果用电解电容,必须并上104或者105的瓷片电容。

耐压选择:对于电解电容和陶瓷电容,耐压应为1.5倍输出电压;对于钽电容,耐压应为2倍输出电压,输出电容所能承受的RMS电流需要计算。

纹波的测量也极其重要,否侧无法准确定位干扰。

对于电源模块电路或者PMIC电路布线规则、布局规则等设置是否合理

环路设计(所需经典控制理论,环路稳定性分析)

RFB反馈电阻选择:DC/DC反馈网络的电阻不能太大,一般使用10K到几十K(1%),反馈网络的上分压电阻并联的电容不能过大,一般是10PF左右,也可根据开关频率计算选择最近值,没有特殊要求也可选择不加。

因为流向RFB1、RFB2 的电流没有被作为输出功率使用,而视作DC/DC 转换器的损失

提高轻负载时的效率的话,要将RFB1、RFB2 设定得大一些(RFB1+RFB2<1MΩ左右)。

提高重负载时的瞬态响应的话,则要做好轻负载时的效率差的准备。

使用FB(反馈)时,RFB1、RFB2 用于决定输出电压,对同一输出电压有时可考虑多种组合。

此时选择RFB1+RFB2=150kΩ~500kΩ比较妥当。这里成为问题的是轻负载时的效率和重负载时的输出稳定性。

CFB前馈电容的选择

CFB(和上反馈电阻并联的电容)是纹波反馈调整用电容器相位补偿电容,该值也会影响负载瞬态响应。

过小于该值或过大于该值工作稳定性都差

PCB设计

PCB设计时布局很关键,对于开关节点处和输入输出电容的位置需要按照规则处理。

反馈电阻靠近IC FB 输入端且接地脚必须会到IC的GND脚;反馈的走线也不要走的过粗了,一般0.2mm左右就可以了,避免引入噪声,电阻也必须使用至少1%的。

反馈电阻 远离SW信号,否则容易造成系统不稳定.并且取样需要从输出电容取。

尽量用一层布局和走线,尽量少用或不用过孔,特别是关键走线。

开关电源部分不允许出现其他走线,且需要单独做预留屏蔽框处理。

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