建立DC-DC降壓穩壓器-學生項目

2021-02-26

建立DC-DC降壓穩壓器-學生項目

由于我已經設計了數百種開關電源，因此我在設計過程中可能不會像在設計電源時遇到的陷阱或問題那樣具有教育性或信息性。從表面上看，它們似乎微不足道-添加一些電容，IC，電感器和一些電阻器，對不對？電流在開關模式電源上循環，并且組件選擇并不簡單。我認為，雇用沒有電源設計經驗的剛畢業的電子工程師會更有趣，并讓他設計一個僅符合學生項目構想文章中列出的要求的電源。

您可以在我的GitHub頁面上找到該項目的最終PCB設計。它是在開源MIT許可下發布的。由于此設計已由其他人完成，因此原理圖樣式與我的常規項目略有不同。

電源要求

任務是設計一個獨立的DC-DC降壓轉換器。對于那些對電子產品感興趣的人（從業余愛好者/制造商級別到全職專業人員），了解并能夠設計電源是一項至關重要的技能。開關電源具有很高的效率，因此非常常見，因此通常不像線性電源那樣需要熱管理。如前所述，實現開關模式電源要比線性電源更為復雜-有了線性電源，您真的不會出錯。

電源要求：

輸入電壓7.0?14.0V

輸出電壓5.0V

輸出電流1.0A

這是壁式電源適配器提供5V電源的典型要求。您可能在房子附近的某個地方有一些不再需要的設備的電源適配器，如果沒有實驗室電源，可以使用它來進行測試。您也可以使用9V電池供電。7至14v的輸入范圍可與各種壁裝電源以及不同的電池化學性質廣泛兼容。

5V是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建的大多數輕載獨立項目的要求。

我離開了這位研究生工程師，決定了如何實施電源，唯一的限制是該組件應可從DigiKey和Mouser等主要電源輕松獲得。用不易采購的組件構建電源沒有多大意義！

他選擇將電源設計作為德州儀器（TI）TPS561208DDCR的基礎。該降壓轉換器IC具有4.5V至17V的輸入電壓，可在0.76 V至7V的范圍內調節輸出電壓，最大輸出電流為1A，因此很容易滿足要求。而且，由于可以從所有主要分銷商處購買，因此該IC滿足了易于獲得的其他要求。 

此時，我會注意到，在設計1A電源時，我通常會選擇在具有更高額定電流的IC周圍設計電源，因此，我電路的最大額定功率仍在穩壓器IC的容限內。實際上，這不應該成為問題，因為有某種能力可以將電源推到其額定值之外，但我盡量不要在任何時間在其額定值的參差不齊的邊緣運行任何IC。

除了要求備有充足庫存的組件外，您還應嘗試避免使用帶有“不建議用于新設計”，“ NRND”，“不再可用”或“作廢”標簽的組件。這些標簽意味著這些組件已經接近或已經接近生產壽命，如果還沒有停止生產，則可能在不久的將來不再制造。盡管目前可能仍然有庫存，但是您的項目壽命僅限于在需要重新設計之前就耗盡了該電源，并且可能由于電源更改而再次通過認證。重新設計和重新認證可能會非常昂貴且耗時，可能會使您設計的產品處于停滯狀態，沒有任何庫存可出售，

如果要檢查組件的可用性，可以單獨檢查每個分銷商的庫存，也可以使用Octopart.com一次檢查所有組件。Octopart?將使您了解部件在全球的庫存情況，以便您了解庫存水平和庫存狀況。

原理圖設計

在我們深入研究畢業生的工作之前，我會提到大多數臺式機監管機構都可在Web Bench中獲得。該在線平臺將為您計算原理圖以滿足您的要求。盡管直接實現它可能會令人難以置信，但值得注意的是，過去在網絡平臺上使用的仿真和模型存在問題。如果您在電路設計的任何方面使用任何計算工具，并根據其中包含的規格和公式進行計算，則應閱讀數據表。這不僅可以讓您仔細檢查計算得出的設計，而且還可以讓您仔細檢查數據表，還可以更深入地了解調節器的功能。

作為TPS561208原理圖設計的第一步，選擇了輸出電壓電阻器以將輸出電壓設置為5V。電阻可以使用以下公式計算：

 

如果計算微分方程不是您的理想選擇，那么您可能會喜歡Symbolab計算器，它可以逐步求解方程或使用Wolfram Alpha。

選擇合適的電阻值可能會很困難，因為選擇低電阻值將意味著轉換器不易受到噪聲的影響。但是，與此同時，輕負載時的效率會降低。從數據表的推薦表中將R2電阻的值選擇為10k Ohm，然后根據以下公式計算R1值：

 

 

由于55.104k歐姆的電阻不是標準值，因此選擇了56.2 kOhm的值，這為我們提供了5.08 V的輸出。 

 

輸出電壓電阻

該數據表建議10 uF的或更大的輸入電容器，所以被選為22微法的電容盡可能多9V壁適配器是相當嘈雜。

 

輸入電容

電感器的選擇可能會變得非常復雜，因此該值是從建議的組件值表中選擇的：

 

推薦成分值表

雖然，不要忘記選擇額定飽和電流和額定電流超過1A的電感器，這樣您將獲得穩定的電感值并確保電感器不會過熱。通常，數據表還將包含一個公式，用于計算通過電感器的電流，因為電路上的負載不一定是電感器上的負載，這在選擇正確的組件時可能是至關重要的因素。

畢業生還從數據表中的表格中選擇了推薦的輸出電容器值。為了使轉換器穩定，建議輸出電容在20至68 uF之間。在該設計中，選擇了單個中值47 uF電容器。我喜歡他在安全使用并遵守數據表的建議。大多數主要供應商，例如德州儀器（TI）和模擬設備（ADI），都對其設備進行了廣泛的測試，并在其數據表中提供了出色的建議。在電源設計方面，您應該對功能有很好的了解，并且有充分的理由偏離數據表中的建議。例如，如果電源上的負載快速變化，則可以選擇增加更高的電容。

除了輸入和輸出電容器外，還需要一個自舉電容器來正常工作。制造商建議使用0.1 uF的陶瓷電容器。

最后要選擇的是連接器。有各種各樣的連接器可供選擇，以適應市場上的各種需求。畢業生決定瀏覽Celestial庫并找到他喜歡的庫，因為沒有對連接的要求，因此決定使用TE Connectivity的2針端子塊來簡化連接線和測試電路板。接線端子也很容易獲得，并且其他帶有2.54 mm共同夾點的接線端子連接器也可以輕松替換。我對輸出上的USB A型連接器同樣感到滿意；但是，接線盒確實使測試變得容易得多。

 

TPS561208DDCR降壓轉換器的設計原理圖

PCB設計

在進行PCB設計時，我沒有向我的研究生工程師提供任何投入，他在原理圖設計方面取得了很好的進展，沒有陷入任何陷阱，所以我很感興趣地看看他如何進行PCB設計。PCB設計是您很快就會出錯的開關模式設計。當我第一次學習如何設計電源時，我肯定犯了一些錯誤，這些錯誤導致了高度不穩定的電源，這些電源看起來似乎沒有任何原因，但是那是因為電路板布局不佳。開關電源如果進入不穩定狀態，將無法原諒，并且當事情開始變得非常糟糕時，它將使魔術煙霧迅速散發。

他的第一個電路板設計在美學上看起來很出色，它緊湊并且從左到右流動得很漂亮……但是它的性能可能會很差。

 

由研究生工程師設計的PCB

盡管PCB看起來還可以，但是存在一些問題：

不遵循數據表中推薦的布局和設計技巧。德州儀器（TI）通常在其數據表中提供廣泛的布局建議，應予以注意。您可能會認為數據表中的布局建議是針對經驗不足的工程師的，但您可能會無視它們，后果自負。該建議通常是非常合理的，即使您要適應所需的電路板形狀/區域并不是特別方便，也會帶您進入一個布局理想的道路。

 

數據表中PCB的布局示例

電感器和電流環路的開關路徑布線不正確，可能導致過多的串擾和EMI問題。開關穩壓器的電流環路布局會嚴重影響您的性能，使其超出穩壓器的穩定性，并使穩壓器成為PCB上最嘈雜的東西。這可能是一種出色的方式，可通過樣式使您的EMC認證不合格，然后將您送回以創建可解決問題的新電路板修訂版。

第一次通過設計中的兩個電流環路（輸入（藍色）和輸出（紅色））如下所示：

 

我NPUT和第一DC-DC降壓轉換器設計的輸出電流回路

為了達到EMC的目的，通過調節器的電流路徑應保持盡可能短。在這種設計中，輸出電流路徑過長。這將導致額外的噪聲，開關串擾和EMI問題。電流環路應盡可能短和寬，以最大程度地減少輻射。

為了校正PCB板，我的主要建議是查看數據表，并研究電流在建議布局中的流動方式。電流以圓形方式流動，而不會交叉，而是提供電流回路-而不是經過自身的風景優美的彎路。這部分是為了確保從IC到關鍵組件（如上文所述的輸入和輸出電容器以及電感器）的最短路徑。電容器的接地端應與穩壓器IC的接地端盡可能接近，正電壓引腳也應如此。

我還建議在不依賴多邊形的情況下路由每條跡線，然后將多邊形倒在這些跡線的頂部。通過首先手動路由跟蹤，您可以直觀地看到當前路徑的位置。這在地面網絡上最為關鍵，因為我發現許多經驗不足的工程師會增加地面灌注量并假設一切都很好，而無需查看他們的地面是如何連接或流動的。

布局校正的第一步是正確的組件放置。組件位置取自推薦的數據表布局，并進行了少許修改以適應所選的組件。

 

遵循數據表建議的布局和設計技巧進行元件放置

第二步是手動布線所有走線，而無需放置多邊形（甚至是地面）。跟隨電流流過輸入和輸出環路以及電路的電流，需要執行此步驟。通過這種方式，您可以看到回路將持續多長時間以及電流將沿哪個方向流動：

 

手動布線的PCB

手動路由后，您可以檢查當前循環：

 

盡管輸入回路的變化不大，但輸出回路的變化卻得到了很大的改善

這樣就形成了更具功能性的布局。第三步是在輸入和輸出回路中添加多邊形，以便我們獲得盡可能低的阻抗：

 

將多邊形添加到輸入和輸出電流環路

最后，將頂層和底層接地平面添加到設計中。網絡已經手動布線，因此我們知道他的設計將具有良好的接地電流路徑-多邊形僅增加了容量和屏蔽能力。

 

適當降壓穩壓器布局的PCB設計

 

PCB正確降壓穩壓器布局的3D視圖

在更正了PCB布局之后，輸出電流環路變得更小，并且輸入和輸出電流環路都朝向相同的方向：

 

最終布局的當前循環

結論

簡單的DC-DC降壓轉換器的設計并不像將線性穩壓器放入電路中那樣簡單。錯誤的組件選擇或布局會給您的PCB帶來額外的噪聲，過多的電磁輻射，最糟糕的是，不穩定的穩壓器在某些負載條件下的性能會下降或立即燒毀。 

在設計可調輸出穩壓器的原理圖時，您需要明智地選擇輸出分壓器。為分壓器選擇高阻值將提高輕載條件下穩壓器的效率。但是，對噪聲的敏感性會增加。選擇低電阻值，效果反之亦然。

考慮到輸入電源電壓紋波和噪聲以及調節器的電流需求（尤其是這些需求變化的速度），輸入電容器的選擇可能會非常復雜。輸入電容器還將影響電源電壓上的傳導噪聲電平，如果將其傳導到電纜中，可能會引起EMC認證挑戰。

開關模式穩壓器上的電感選擇非常關鍵，要確保它不會飽和并且具有正確的電感以確保有效運行。相位裕度和其他技術方面也會發揮作用，并影響穩壓器的穩定性，但是，這本身可能是一篇深入文章的主題。

輸出電容器的類型和參數將對輸出電壓軌上的傳導噪聲產生重大影響。使用錯誤的電容器類型可能會為您提供足夠的電容，但仍會在輸出上提供非常高的電壓紋波，而不會進行過多的平滑處理。

PCB布局對于降壓轉換器也至關重要。對于電流環路，走線應盡可能短且盡可能寬。確保輸入和輸出電容器的兩個引腳都有一條通向穩壓器的簡便路徑。電流環路應短而圓形，并沿相同方向流動，以降低EMI。