一個研究生工程師設(shè)計(jì)的DC-DC降壓調(diào)節(jié)器

在一些項(xiàng)目合作過程中，經(jīng)常有一些高校的合作項(xiàng)目，學(xué)生和畢業(yè)生們提出了很多問題，問他們可以做些什么來提高自己的技能，并證明自己的價值。我建議做一些有助于鞏固他們技能和展示他們設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的項(xiàng)目——我寫了一篇文章，里面有關(guān)于開始項(xiàng)目的建議和一些項(xiàng)目想法。在本文中，我們將研究該項(xiàng)目中某個電源的實(shí)現(xiàn)。

我想既然我設(shè)計(jì)了幾百個切換模式電源，我只是瀏覽一下設(shè)計(jì)，可能不會像設(shè)計(jì)電源時遇到的陷阱或問題那樣具有教育性或信息性。它們表面上看起來微不足道-加上幾個電容，集成電路，電感和一些電阻，對嗎？然而，開關(guān)電源的電流回路和元件選擇是非常重要的。我認(rèn)為，聘請一位在電源設(shè)計(jì)方面沒有太多經(jīng)驗(yàn)的剛畢業(yè)的電子工程師，讓他按照學(xué)生項(xiàng)目創(chuàng)意文章中列出的要求來設(shè)計(jì)電源，這樣會更有意思。

你可以在我的網(wǎng)站上找到這個項(xiàng)目的最終PCB設(shè)計(jì) github頁；它是在麻省理工學(xué)院的開源許可下發(fā)布的。由于這個設(shè)計(jì)是由別人完成的，所以原理圖樣式與我通常的項(xiàng)目略有不同。您還可以在我廣泛的開源代碼中找到此設(shè)計(jì)中使用的所有組件天體高度設(shè)計(jì)師圖書館 .

任務(wù)是設(shè)計(jì)一個獨(dú)立的DC-DC降壓變換器. 對任何對電子產(chǎn)品感興趣的人來說，理解和設(shè)計(jì)一個電壓源是一項(xiàng)至關(guān)重要的技能，從業(yè)余愛好者/制造商水平到全職專業(yè)人士。切換電源因此，它們通常不需要高效率的線性供應(yīng)。實(shí)現(xiàn)一個開關(guān)模式電源如前所述比線性電源更復(fù)雜-有了線性電源，你不會真的出錯。

電源要求：

• 輸入電壓7.0~14.0V

• 輸出電壓5.0V

• 輸出電流1.0A

這是墻壁電源適配器到5V電源的典型要求。你可能有一個電源適配器，用于你家周圍不再需要的設(shè)備，如果你沒有實(shí)驗(yàn)室電源，你可以用它來測試。你也可以用9V電池供電。輸入范圍從7到14伏提供了廣泛的兼容性與各種墻壁電源以及不同的電池化學(xué)。

5V是一種非常常見的輸入電源要求，尤其是通過USB電纜供電時。1A的輸出電流足以滿足您可以構(gòu)建的大多數(shù)輕負(fù)載獨(dú)立項(xiàng)目。

我離開了這位研究生工程師，決定他將如何實(shí)現(xiàn)電源，唯一的限制是組件應(yīng)該可以從像DigiKey和Mouser這樣的主要電源上隨時可用。用不易獲得的組件來構(gòu)建電源沒有多大意義！

他選擇了以德州儀器TPS561208DDCR. 該buck變換器集成電路具有4.5V～17V的輸入電壓和0.76v～7V的可調(diào)輸出電壓和1A的最大輸出電流，很容易滿足要求。此外，這種集成電路還滿足了隨時可用的其他要求，因?yàn)樗梢詮乃兄饕姆咒N商那里購買。

在這一點(diǎn)上，我會注意到，當(dāng)設(shè)計(jì)一個1A電源時，我通常會選擇在一個具有更高額定電流的IC周圍設(shè)計(jì)一個電源，所以我的電路的最大額定功率仍然在調(diào)節(jié)器IC的范圍內(nèi)。這在現(xiàn)實(shí)中不應(yīng)成為問題，因?yàn)橛幸恍┠芰⒐?yīng)推高到其評級之外，但我試圖在任何時候都不要在其評級的邊緣運(yùn)行任何IC。

除了要求零部件庫存充足外，還應(yīng)盡量避免使用帶有“不推薦用于新設(shè)計(jì)”、“NRND”、“不再可用”或“過時”標(biāo)簽的部件。這些標(biāo)簽意味著這些部件或已接近或已處于其生產(chǎn)壽命的末期，如果制造尚未停止，則可能不會在近期內(nèi)制造。當(dāng)你的能源供應(yīng)可能會在有限的時候被重新設(shè)計(jì)，而你的能源供應(yīng)可能仍然是有限的。這種重新設(shè)計(jì)和重新認(rèn)證可能非常昂貴和耗時，可能會使您設(shè)計(jì)的產(chǎn)品處于無望狀態(tài)，沒有任何庫存可供出售，或無法制造更多單元。

如果要檢查組件的可用性，可以單獨(dú)檢查每個分銷商的庫存或使用 八達(dá)通一次檢查它們。八分之一 ?將允許您查看組件在全球的庫存情況，以便您可以了解庫存水平和訪問庫存。

在我們深入研究這位畢業(yè)生所從事的工作之前，我將提到，大多數(shù)德州儀器監(jiān)管機(jī)構(gòu)都可以在Web Bench中找到。這個在線平臺將為您計(jì)算一個示意圖，以滿足您的要求。雖然直接實(shí)現(xiàn)它可能會非常誘人，但值得注意的是，在webbench上使用的模擬和模型在過去就存在問題。如果在電路設(shè)計(jì)的任何方面使用任何計(jì)算工具，并根據(jù)其中包含的規(guī)范和公式進(jìn)行計(jì)算，則應(yīng)閱讀數(shù)據(jù)表。這不僅可以讓您再次檢查計(jì)算的設(shè)計(jì)，還可以讓您再次檢查數(shù)據(jù)表，還可以更深入地了解調(diào)節(jié)器的工作原理。了解為什么要使用某個值或額定電流的元件，對于理解調(diào)節(jié)器的工作原理以及可能存在的布局考慮因素至關(guān)重要。

作為TPS561208原理圖設(shè)計(jì)的第一步，選擇輸出電壓電阻器將輸出電壓設(shè)置為5V。電阻可通過以下公式計(jì)算：

如果計(jì)算微分方程不是你的強(qiáng)項(xiàng)，你可能會喜歡符號計(jì)算器它提供了一步一步地解方程或使用知識引擎 .

選擇合適的電阻值可能很有挑戰(zhàn)性，因?yàn)檫x擇較低的電阻值意味著轉(zhuǎn)換器不太容易受到噪聲的影響。同時，輕載時的效率也會降低。R2電阻器的值從數(shù)據(jù)表中的推薦表中選擇為10k歐姆，然后根據(jù)以下公式計(jì)算R1值：

由于55.104k歐姆電阻不是標(biāo)準(zhǔn)值，因此選擇了56.2千歐的電阻值，這為我們提供了5.08伏的輸出。

輸出電壓電阻器

這個數(shù)據(jù)表建議輸入電容器為10 uF或更大，因此選擇了22 uF的電容器，因?yàn)樵S多9V壁裝適配器噪音很大。

輸入電容器

電感器的選擇會變得相當(dāng)復(fù)雜，因此該值是從推薦的元件值表中選擇的：

推薦組件值表

不過，別忘了選擇額定飽和電流和額定電流1A以上的電感器，這樣電感值就穩(wěn)定了，并且保證電感器不會過熱。通常，數(shù)據(jù)表還將包含一個計(jì)算通過電感器的電流的公式，因?yàn)殡娐飞系呢?fù)載不一定是電感器這可能是選擇正確組件時的一個關(guān)鍵因素。

畢業(yè)生也選擇了推薦的輸出電容器數(shù)據(jù)表中表中的值。對于穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換器，建議輸出電容在20-68uF之間。在本設(shè)計(jì)中，選用了單一的中值47uF電容器。我喜歡他穩(wěn)妥行事，遵循數(shù)據(jù)表的建議。大多數(shù)主要的供應(yīng)商，如德州儀器和模擬設(shè)備，已經(jīng)對他們的設(shè)備進(jìn)行了廣泛的測試，并在他們的數(shù)據(jù)表中提供了優(yōu)秀的建議。當(dāng)談到電源設(shè)計(jì)時，您應(yīng)該對功能有很好的理解，并有充分的理由偏離數(shù)據(jù)表中的建議。例如，如果電源上的負(fù)載變化很快，您可能會選擇增加顯著更高的電容。

除了輸入和輸出電容器外，還需要一個自舉電容器才能正常工作。制造商建議0.1 uF陶瓷電容器的值。

最后要選擇的是連接器。有各種各樣的連接器可供選擇，以滿足市場上的每一個需要。畢業(yè)生決定仔細(xì)研究天體圖書館為了找到一個他喜歡的，因?yàn)闆]有對連通性的要求，他選擇了TE connectivity的2針接線板，使連接電線和測試電路板變得容易。接線板也很容易找到，而且其他接線板連接器（通常間距2.54 mm）也可以輕松替換。我也會同樣高興的是一個USB類型的a型連接器的輸出；然而，接線盒確實(shí)使測試更加容易。

TPS561208DDCR降壓變換器設(shè)計(jì)原理圖

我沒有向我的研究生工程師提供任何關(guān)于PCB設(shè)計(jì)，而且他在原理圖設(shè)計(jì)方面進(jìn)展很好，沒有陷入任何陷阱，所以我有興趣看看他是如何進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)的。PCB設(shè)計(jì)是一個很快就會出錯的切換模式設(shè)計(jì)。當(dāng)我第一次學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)電源時，我確實(shí)犯了一些錯誤，導(dǎo)致電源極不穩(wěn)定，似乎沒有任何理由會燒壞自己——然而，原因是電路板布局不好。開關(guān)電源如果供應(yīng)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，供應(yīng)是不可饒恕的，當(dāng)事情開始變得可怕時，它們會很快地讓魔法煙霧逸出。

他的第一塊板子設(shè)計(jì)看起來很美，很緊湊，從左到右都很漂亮……但可能表現(xiàn)不佳。

研究生工程師設(shè)計(jì)的PCB

雖然PCB看起來不錯，但它有幾個問題：

1. 不遵循數(shù)據(jù)表中推薦的布局和設(shè)計(jì)提示。德州儀器公司通常在其數(shù)據(jù)表中提供廣泛的布局建議，應(yīng)該予以關(guān)注。您可能認(rèn)為數(shù)據(jù)表中的布局建議針對的是經(jīng)驗(yàn)較少的工程師，但您可以忽略這些建議，后果自負(fù)。這個建議通常是非常合理的，它會讓你走上一條通往完美布局的道路，即使它不是特別適合你想要的板形狀/面積。

數(shù)據(jù)表中PCB的布局示例

1. 電感器和電流回路的開關(guān)路徑未正確布線，這可能導(dǎo)致過度串?dāng)_和電磁干擾問題。開關(guān)電流環(huán)布局電壓調(diào)節(jié)器會極大地影響您的性能，超出調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性，并導(dǎo)致調(diào)節(jié)器是PCB上最嘈雜的東西。這是一個讓你失望的好方法EMC認(rèn)證和樣式，并發(fā)送您回來創(chuàng)建一個新的董事會修訂，以修復(fù)問題。

第一個通路設(shè)計(jì)中的兩個電流回路，輸入（藍(lán)色）和輸出（紅色）如下所示：

我第一臺DC-DC buck變換器的輸入輸出電流環(huán)設(shè)計(jì)

出于電磁兼容的目的，通過調(diào)節(jié)器的電流通路應(yīng)盡可能短。在本設(shè)計(jì)中，輸出電流路徑過長。這將導(dǎo)致額外的噪音，開關(guān)串?dāng)_以及電磁干擾問題。電流回路應(yīng)盡可能短和寬，以盡量減少輻射****。

糾正PCB、 我的主要建議是再去看DataSheet，研究電流如何在建議的布局中流動。水流以一種圓形的方式流動，而不經(jīng)過它自身，提供了一個循環(huán)的水流，而不是一個穿越自身的風(fēng)景優(yōu)美的迂回道。這其中的一部分是確保從集成電路到關(guān)鍵部件（如前面提到的輸入和輸出電容器以及電感器）的最短路徑。電容器的接地端接應(yīng)盡可能靠近調(diào)節(jié)器IC的接地，正極電壓引腳也應(yīng)如此。

我還建議在不依賴多邊形的情況下路由每個軌跡，然后將多邊形放置在這些軌跡的頂部。通過路由跟蹤首先手動操作，你可以可視化并對當(dāng)前路徑的位置有一個很好的感覺。這在地面網(wǎng)絡(luò)上是最關(guān)鍵的，因?yàn)槲野l(fā)現(xiàn)許多經(jīng)驗(yàn)不足的工程師會添加一個地面澆灌，并假設(shè)一切都是好的，而不考慮他們的地面是如何連接或流動的。

布局修正的第一步是正確放置組件。組件布局取自推薦的DataSheet布局，稍作修改以適應(yīng)所選組件。

按照DataSheet推薦的布局和設(shè)計(jì)提示放置組件

第二步是手動布線所有走線，而不放置多邊形（甚至地面）。這一步需要跟隨電流流過輸入輸出回路和電路。通過這種方式，您可以看到回路的長度以及電流流向：

手動布線PCB

手動布線后，可以檢查當(dāng)前回路：

雖然輸入回路沒有改變太多，但是輸出回路的變化卻得到了很大的改善

這使得布局更加實(shí)用。

第三步是在輸入和輸出回路中添加多邊形，以便實(shí)現(xiàn)盡可能低的阻抗：

添加到輸入和輸出電流回路的多邊形

最后，將頂層和底層地平面添加到設(shè)計(jì)中。網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被手動布線，所以我們知道他的設(shè)計(jì)將有一個良好的接地電流路徑-多邊形只是增加了更多的容量和屏蔽。

降壓穩(wěn)壓器合理布局的PCB設(shè)計(jì)

PCB適當(dāng)降壓電壓調(diào)節(jié)器布局的3D視圖

校正PCB布局后，輸出電流回路變小，輸入和輸出電流回路都朝向同一方向：

一個簡單的DC-DC降壓變換器的設(shè)計(jì)并不像在電路中加入一個線性調(diào)節(jié)器那么簡單。錯誤的元件選擇或布局可能會給您的PCB帶來額外的噪音、過量的電磁輻射，最壞的情況是，在某些負(fù)載條件下性能不佳或瞬間燒毀的不穩(wěn)定調(diào)節(jié)器。

在設(shè)計(jì)可調(diào)輸出電壓調(diào)節(jié)器的原理圖時，需要明智地選擇輸出分壓器。為分壓器選擇高電阻值將提高調(diào)節(jié)器輕載時；然而，對噪聲的敏感性會增加。選擇低電阻值的效果則相反。

輸入電容器的選擇可能相當(dāng)復(fù)雜，要考慮輸入電源電壓紋波和噪聲，以及調(diào)節(jié)器的電流需求，特別是這些需求變化的速度。輸入電容器還會影響電源電壓上的傳導(dǎo)噪聲水平，如果傳導(dǎo)到電纜中，可能會導(dǎo)致EMC認(rèn)證的挑戰(zhàn)。

開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)器的電感器選擇是非常關(guān)鍵的，確保它不會飽和，并且具有正確的電感以確保高效運(yùn)行。相位裕度和其他技術(shù)方面也可以發(fā)揮作用，并影響調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性，但這可能是一篇深入文章的主題。

輸出電容器的類型和參數(shù)對輸出電壓軌上的傳導(dǎo)噪聲有重要影響。使用錯誤的電容器類型可能會提供大量的電容，但仍然會在輸出上提供非常高的電壓紋波，而沒有太多平滑。

PCB的布局對buck變換器也很重要。為電流回路保持盡可能短和寬的跡線。確保輸入和輸出電容器的兩個引腳都有一個容易的路徑回到調(diào)節(jié)器。電流回路應(yīng)該是短的，圓形的，并在同一方向流動，以減少電磁干擾。