48V 至 3.3V 穩壓器設計項目

2021-07-19

48V 至 3.3V 穩壓器設計項目

我計劃在 48V 電源上運行燈板，這讓我有很大的下降，以降低為微控制器供電的 3.3VI 需求。我需要一個具有寬輸入電壓范圍的降壓穩壓器，它可以在非常低的占空比下運行。我需要低占空比，因為電流消耗會很輕。話雖如此，一些穩壓器不太喜歡這個，或者只是不允許輸入到輸出電壓有這么大的差距。在尋找穩壓器之前，我需要弄清楚 ESP32 的功耗是多少。那里的表格建議正常運行電流約為 20-50mA，全速傳輸數據時高達 250mA。

由于空閑狀態下的大壓降和低電流消耗，我不確定電源輸出的穩定性，所以我將把電源調節到 4.0V，而不是直接調節到 3.3V。這個更高的電壓將允許我使用一個低壓差線性穩壓器 (LDO) 來獲得我的最終 3.3V。通過在開關模式電源之后使用線性穩壓器，我可以獲得非常穩定的低噪聲輸出，這將使 ESP32 中的收音機保持正常運行，并保持一切順利運行。

決定使用 LDO 并知道我需要提供大約 250mA 的電流后，我正在尋找一種單片（完全集成）穩壓器 IC，它可以在 30-250mA 的 43-53V 輸入中為我提供 4.0V。我決定采用采用 3x3mm DFN 封裝的 Analog Devices LT8619。我被 3-60V 的非常寬的輸入范圍所吸引，特別是被 30ns 的“快速最短開啟時間”所吸引。它也是一個相當低噪聲的 LDO，這對于處理 RF 或音頻應用的任何事情都是有利的。

與我的所有項目一樣，您可以免費找到完整的項目，并在我的GitHub 上作為開源發布，包括原理圖和 PCB 文件。如果您想構建類似的電源，或者使用本文中的設計作為滿足您獨特要求的自己設計的基礎，這應該為您提供所需的一切。

電源設計

電源設計是一個迭代過程。如果您更改一個組件值或操作條件，則需要重新計算所有其他值和條件，以確保您所做的選擇仍然有效。對我來說，這是選擇穩壓器，然后設計最耗時的原理圖的方面。正如您將看到的，在完成設計之前，仔細檢查所有這些計算并重新閱讀數據表中的所有注釋非常重要。

開關頻率

盡管穩壓器 IC 是一個高效率部件，但我對我將使用的低電流消耗的效率沒有太多期望。這使得選擇一個好的開關頻率尤為重要。較高的頻率往往會為您提供較小的組件，但是，我需要了解我所擁有的占空比的最小準時時間。較低的頻率將提供更高的效率和更大的輸入電壓范圍，但會以更大的元件為代價。在進行了多次計算之后，我將在 300kHz 的最低頻率下運行調節器。

我最初計算了一個大約 1250kHz 的設計，但在完成布局并返回所有方程后，我意識到穩壓器永遠不會在該頻率下進入強制連續模式。即使在 300kHz 時，它仍然可能不會，但它至少有機會在其最低頻率下進入更高效的運行模式。

在 300kHz 時，我應該有一個 8.35% 的占空比，最短時間為 257nS。在 250mA 的滿負載下，效率將高達 85%，但在 50mA 負載下，這下降到 56%，這是相當令人沮喪的。從絕對值來看，損耗實際上相當小，僅為 160mW，但由于涉及的功率如此之小，所以它加起來占很大比例。與之前的單片LED 驅動器IC 項目不同，在這個項目中，溫度對我來說不是問題，因為即使效率如此低，我預計使用 DFN 封裝（43°C）我也只會看到 6.5°C 的溫升C/W θja。）

電感選擇

既然已經確定了開關頻率，就可以為電源選擇電感器了。我計算出在我們的 300kHz 開關頻率下，最佳電感約為 25.52uH，對我而言，低成本封裝中最接近的選項是 22uH 和 27uH。

最初，我擔心將非常適合我最初計劃的 1258kHz 頻率的低 DCR 電感器更改為具有類似占位面積但電阻要高得多的電感器。我覺得 130 毫歐電阻應該沒問題，因為我沒有通過它施加太多電流；數據表證實了這一點。雖然建議的電阻約為 40 毫歐，但數據表指出，100 毫歐是一個以犧牲效率為代價的尺寸的良好折衷。盡管這可能很好，但我并不滿意為了節省重新設計的時間而進行工程權衡。如果較小的電感器便宜得多，或者可能有其他一些優勢，我可能會堅持使用它，但我唯一值得注意的優勢是節省了一些精力。因此，我們將在本文后面介紹這兩種設計。

反饋電容

穩壓器使用分壓器進行反饋，就像任何其他穩壓器一樣。然而，考慮到相當大的電壓差和小負載，我認為模擬反饋回路是個好主意。由于分壓器的頂端沒有電容器，相位裕度低于 30 度的絕對最小額定值。通過在分壓器的頂部電阻上添加一個 3300pF 的電容器，我能夠將相位裕度提高到大約 52 度，高于建議的 45 度最小值。這大大改善了負載瞬態曲線。

輸入過濾器

我在我的其他一些項目中提到了過濾開關電源輸入的重要性。通常我們會花很多精力來過濾輸出，以確保下游電源的 EMI 和紋波非常少，從而減少電路問題。當您進行合規性測試時，這種對下游過濾的關注和對輸入過濾的疏忽可能會再次困擾您。

以上是對開關電源輸入端傳導 EMI 的模擬。紅線是 CISPR25 限制，如果要獲得汽車使用認證，您需要遵守該限制。此設計并非旨在用于汽車用途，但它是一個易于使用的示例?；疑幕靵y是沒有過濾器的傳導 EMI；它顯然嚴重超出了限制。藍色軌跡，您可能只能在左下角和右下角辨認出來，是帶有基本 PI 濾波器的傳導 EMI。

說明：VIN 和 VILT 之間的簡單 PI 濾波器

這種簡單、低成本的濾波器在 106.16MHz 下提供超過 50dBμV 的裕量，而不是超過 20dBμV 的失敗。上圖中的 C3 和 C4 是穩壓器的現有輸入電容，設計中僅添加了 C1/C2 和 L1。

電磁合規性不是產品的可選部分，而是強制性要求，因此在您設計任何東西時都需要放在首位。您切換的電流越大，您就越需要關注潛在的傳導和輻射源。

線性穩壓器

正如我在文章開頭提到的，我想在開關電源的最終輸出級使用線性穩壓器。這是因為 ESP32 中的收音機需要有清潔電源才能獲得最佳性能，而提供清潔電源的最佳方式是通過線性穩壓器。線性穩壓器將提供來自開關模式穩壓器的最終電源清理，并且只有 4V 至 3.3V 的壓降，產生的熱量非常少。

說明：使用 Diodes Inc AP2112K 的低壓差線性穩壓器

我為這個設計選擇了一個相對常見的 Diodes Inc AP2112K 穩壓器，SOT-23-5 封裝緊湊，但足夠大來處理這個項目的電流/熱量。我在穩壓器中尋找的主要規格是壓差電壓。在輸入和輸出之間具有 0.7V 的最大可接受壓差排除了很多選擇。AP211K 的壓差為 0.4V，符合我的要求。此外，它非常便宜，這總是很好。

線性穩壓器需要很少的支持元件。輸出將在 1μF 的電容下穩定。我在輸入端也有 1μF 的電容，主要是為了在穩壓器附近放置一個去耦電容器。開關模式電源上的大量輸出電容將超過任何輸入電容要求。

在我的實現中——將使用這個穩壓器——ESP32 將有它自己的大容量電容和位于模塊旁邊的去耦電容器，因此雖然更多的大容量電容可能對設計有利，但這超出了項目的這一部分的范圍。具有足夠的電容以確保穩壓器的穩定輸出對于此設計就足夠了。

成品示意圖

原理圖的其余部分相對簡單。我們在輸出端安裝了去耦電容器以確保下游幾乎沒有紋波、一個欠壓鎖定分壓器和一個 LED 用于視覺反饋調節器正在運行。LED 也是開關模式調節器上的一點額外負載，這將略微提高其工作效率。

完成的示意圖

如上所述，此設計在 GitHub 上，因此如果您愿意，您可以下載原理圖并自行嘗試。

初始電路板設計

正如我上面提到的，我最初設計的這塊板帶有一個 6mm 方形小電感器，非常適合更高的開關頻率。

最初設計的帶有 6mm 方形電感器的電路板

對于我想為這個設計分配的電路板面積，一切都完美契合，并且布局有一個短的穩壓器電流回路。

上圖中的 PCB 布線后

我對這個設計非常滿意，并準備稱其為“工作完成”。然而，在您稱設計完成之前，回顧您的筆記、瀏覽數據表并重做所有計算總是一個絕妙的主意。電源設計是一個迭代過程，如果我在迭代過程中過于專注于設計和計算的某個方面而錯過了一些東西，這并不奇怪。

如果輸入電壓較低，或者輸出負載較高以允許我最初確定的工作頻率，我會很樂意在我的最終項目中包含最初設計的電源。該設計本來可以工作，但是，它永遠不會有機會在輸入和輸出條件下達到穩壓器的最高效率狀態。

電路板重新設計

適合設計的電感最終是表面積的四倍。在執行工程變更單以更新 PCB 時，我們得到了一個非常有趣的 Altium 3D 車身間隙檢查演示。

顯然，這種布局需要發生巨大的變化。

嘗試盡可能少地更改布局會導致電流環路出現不良結果

我一直堅持盡可能少地改變布局，因為我很懶。不過，這種方法對我來說效果不佳，因為我可能對布局有點著迷。此處去耦電容器之間的電流回路太長，尤其是來自較大的鋁聚合物（紫色）電容器。

此時我意識到我將不得不對組件進行更徹底的重新安排，以實現更優化的布局，是時候停止依附于舊布局了。

修改后的布局。連接器從電路板移開約 1.5 毫米

使用大電感器，電流回路被迫更長，但我對這種布局更滿意。兩個輸入濾波電容器最終在 VIN 連接器附近向下移動，而不是靠近輸入電感器，這是可以接受的，因為輸入的濾波不如正常工作的電源那么重要。我們有足夠的裕量讓輸入濾波器滿足法規要求，但是運行不良的電源或輻射大量 EMI 的電源對我們來說根本不起作用。

最終 PCB 的 3D 視圖

連接器還必須從電路板上移開約 1.5 毫米，電路板加長約 1 毫米，使我可以使用的寬度增加約 4 毫米。

最后

這種布局和設計現在可以在我的大功率照明項目的下一步中使用。我本可以簡單地展示設計過程并跳過我的錯誤，但正如 Alexander Pope 所寫的那樣，“犯錯是人性；原諒，天啊。” 我只是人類，希望你能原諒我的錯誤。即使是經驗豐富的工程師也需要仔細檢查他們的數字并重新閱讀數據表，然后才能稱設計完成。否則，很容易在您的原型板中出現問題。如果問題很小，它可能會一直進行到大規模生產，然后才會導致糾正成本高昂的問題。