硬件电路设计之板载电源电路设计

描述

1 简介

板载电源设计常用的有两种方式:DC-DC电路LDO电路 。LDO即Low Dropout Regulator,是一种低压差线性稳压器。这是相对于传统的线性稳压器来说的。DC-DC是一种新研制的小型化电源开关模块,它是采用微电子技术,把小型表面安装集成电路与微型电子元器件组装成一体而构成。这两种电源设计的方式主要区别见下:

电源类型DC-DC电源LDO电源
优点效率高,输入电压范围较宽。稳定性好,负载响应快。输出纹波小。
缺点负载响应比LDO差,输出纹波比LDO大。效率低,输入输出的电压差不能太大。负载不能太大,目前最大的LDO为5A。

2 板载电流的计算

2.1 电流计算

DC-DC电路电流计算

DC-DC电路的输入12V电压,负载电压为3.3V,1.5A,那么如何计算输入的电路?

DC-DC

常用DC-DC芯片的手册首页通常会表示清楚在不同应用场景下,DC-DC芯片对应的效率(我在计算DC-DC转换效率时,一般按照85%来计算),见下图:

DC-DC

此处按照85%的转换效率来计算,则:

DC-DC

可以计算出:I = 3.3V * 1.5A ➗ 85% ➗12V ≈0.485A

  • LDO电路电流计算

LDO电路电流的计算方式与DC-DC不同,当LDO电路的输入12V电压,负载电压为3.3V,1.5A时,输入电流与输出电流相同,均为1.5A。

DC-DC

2.2 电流计算工具推荐

为了简化计算,在这里给各位老铁推荐一款比较好用的电流计算工具(LTpowerPlanner),也可用来绘制电源树。ADI提供了一个绘制电源树特别方便的工具,能极大减少我们绘制电源树的时间成本,支持一键计算所有参数。效果见下图:

DC-DC

3 电路设计实战

3.1 DC-DC电路设计

  • 大电流输出
    TPS568215RNNR的输入电压范围:4.5 ~ 17V,输出电压范围:0.5~5.5V,最大输出电流8A。

DC-DC

  • 小电流输出

TPS62067DSGR的输入电压范围:2.9 ~ 6V,输出电压范围:0.8~6V,输出最大电流为2A。

DC-DC

可以很明显看出,DC-DC电源设计过程中,都会存在一个电感。下面会有专门的章节介绍电感选型的过程。

3.2 LDO电路设计

TPS62067DSGR的输入电压范围:1.1 ~ 6.5V,输出电压范围:0.8~5.2V,输出最大电流为2A。

DC-DC

4 计算最小电感量

计算最小电感,将DC-DC转换电路划分为Buck电路和Boost电路进行考虑。

4.1 最小电感的计算

  • Buck电路最小电感值计算

Buck转换电路的,最小电感的计算公式如下:

DC-DC

序号名称意义
1Vin输入电压
2Vout输出电压
3Fs开关频率
4ΔI电感峰值电流

通常ΔI取额定电流Irat的"1/2",则上述公式变化如下:

DC-DC

  • Boost电路最小电感值计算
    Boost转换电路的,最小电感的计算公式如下:

DC-DC

4.2 案例分析

  • 计算电感值

需要根据电感的精度,计算电感值,并且需要留有一定的裕量。

需要根据电感的精度,计算电感值,并且需要留有一定的裕量。

对于精度为20%的电感,若设计的裕量为5%,则需要设计的电感值为:

L = (1+20%+5%)*Lmin

  • 标称电感的计算
    实际使用的电感会比我们计算出来的电感稍大,我们称为标称电感。
    以Boost电路为例,输入电压为4.2V,开关频率为1.2MHz,输出电流为500mA,输出电压为5V,那么需要的电感为:
    DC-DC
    则:L=2.24μH×1.25=2.8μH,比2.8μH稍大的标称电感为3.3μH,所以DC-DC外部电感选用3.3μH电感。
  • 电流计算
    确定确认所选择电感的饱和电流Isat要大于Imax,温升电流要大于输出电流。电流要求:

Imax=Iout+1/2×ΔI=Iout+1/4×Iout=1.25×Iout=1.25×0.5A=0.625A

4.3 注意事项

  • 电感自谐频率f0需是开关频率Fs的10倍以上。
  • 饱和电流Isat和温升电流Irms中的电流较小值进行设定。
  • 大电流区,DCR起决定性作用,DCR越大,转换效率越低。
  • 叠层电感比绕线电感的散热性好、ESR值更小、成本较低,但耐电流比绕线电感小。
  • 选择带磁屏蔽(屏蔽罩或磁性胶水涂覆)的电感可有效改善EMI。
  • 电感的尺寸:同等标称电感量,尺寸的大小直接影响选材的成本。
  • 电感饱和会导致电流急剧增加,使电感温度升高,并影响其它元件的寿命。
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