建立DC-DC降压稳压器-学生项目

2021-02-26

建立DC-DC降压稳压器-学生项目

由于我已经设计了数百种开关电源，因此我在设计过程中可能不会像在设计电源时遇到的陷阱或问题那样具有教育性或信息性。从表面上看，它们似乎微不足道-添加一些电容，IC，电感器和一些电阻器，对不对？电流在开关模式电源上循环，并且组件选择并不简单。我认为，雇用没有电源设计经验的刚毕业的电子工程师会更有趣，并让他设计一个仅符合学生项目构想文章中列出的要求的电源。

您可以在我的GitHub页面上找到该项目的最终PCB设计。它是在开源MIT许可下发布的。由于此设计已由其他人完成，因此原理图样式与我的常规项目略有不同。

电源要求

任务是设计一个独立的DC-DC降压转换器。对于那些对电子产品感兴趣的人（从业余爱好者/制造商级别到全职专业人员），了解并能够设计电源是一项至关重要的技能。开关电源具有很高的效率，因此非常常见，因此通常不像线性电源那样需要热管理。如前所述，实现开关模式电源要比线性电源更为复杂-有了线性电源，您真的不会出错。

电源要求：

输入电压7.0〜14.0V

输出电压5.0V

输出电流1.0A

这是壁式电源适配器提供5V电源的典型要求。您可能在房子附近的某个地方有一些不再需要的设备的电源适配器，如果没有实验室电源，可以使用它来进行测试。您也可以使用9V电池供电。7至14v的输入范围可与各种壁装电源以及不同的电池化学性质广泛兼容。

5V是非常常见的输入电源要求，尤其是通过USB电缆供电时。1A的输出电流足以满足您可以构建的大多数轻载独立项目的要求。

我离开了这位研究生工程师，决定了如何实施电源，唯一的限制是该组件应可从DigiKey和Mouser等主要电源轻松获得。用不易采购的组件构建电源没有多大意义！

他选择将电源设计作为德州仪器（TI）TPS561208DDCR的基础。该降压转换器IC具有4.5V至17V的输入电压，可在0.76 V至7V的范围内调节输出电压，最大输出电流为1A，因此很容易满足要求。而且，由于可以从所有主要分销商处购买，因此该IC满足了易于获得的其他要求。 

此时，我会注意到，在设计1A电源时，我通常会选择在具有更高额定电流的IC周围设计电源，因此，我电路的最大额定功率仍在稳压器IC的容限内。实际上，这不应该成为问题，因为有某种能力可以将电源推到其额定值之外，但我尽量不要在任何时间在其额定值的参差不齐的边缘运行任何IC。

除了要求备有充足库存的组件外，您还应尝试避免使用带有“不建议用于新设计”，“ NRND”，“不再可用”或“作废”标签的组件。这些标签意味着这些组件已经接近或已经接近生产寿命，如果还没有停止生产，则可能在不久的将来不再制造。尽管目前可能仍然有库存，但是您的项目寿命仅限于在需要重新设计之前就耗尽了该电源，并且可能由于电源更改而再次通过认证。重新设计和重新认证可能会非常昂贵且耗时，可能会使您设计的产品处于停滞状态，没有任何库存可出售，

如果要检查组件的可用性，可以单独检查每个分销商的库存，也可以使用Octopart.com一次检查所有组件。Octopart®将使您了解部件在全球的库存情况，以便您了解库存水平和库存状况。

原理图设计

在我们深入研究毕业生的工作之前，我会提到大多数台式机监管机构都可在Web Bench中获得。该在线平台将为您计算原理图以满足您的要求。尽管直接实现它可能会令人难以置信，但值得注意的是，过去在网络平台上使用的仿真和模型存在问题。如果您在电路设计的任何方面使用任何计算工具，并根据其中包含的规格和公式进行计算，则应阅读数据表。这不仅可以让您仔细检查计算得出的设计，而且还可以让您仔细检查数据表，还可以更深入地了解调节器的功能。

作为TPS561208原理图设计的第一步，选择了输出电压电阻器以将输出电压设置为5V。电阻可以使用以下公式计算：

 

如果计算微分方程不是您的理想选择，那么您可能会喜欢Symbolab计算器，它可以逐步求解方程或使用Wolfram Alpha。

选择合适的电阻值可能会很困难，因为选择低电阻值将意味着转换器不易受到噪声的影响。但是，与此同时，轻负载时的效率会降低。从数据表的推荐表中将R2电阻的值选择为10k Ohm，然后根据以下公式计算R1值：

 

 

由于55.104k欧姆的电阻不是标准值，因此选择了56.2 kOhm的值，这为我们提供了5.08 V的输出。 

 

输出电压电阻

该数据表建议10 uF的或更大的输入电容器，所以被选为22微法的电容尽可能多9V壁适配器是相当嘈杂。

 

输入电容

电感器的选择可能会变得非常复杂，因此该值是从建议的组件值表中选择的：

 

推荐成分值表

虽然，不要忘记选择额定饱和电流和额定电流超过1A的电感器，这样您将获得稳定的电感值并确保电感器不会过热。通常，数据表还将包含一个公式，用于计算通过电感器的电流，因为电路上的负载不一定是电感器上的负载，这在选择正确的组件时可能是至关重要的因素。

毕业生还从数据表中的表格中选择了推荐的输出电容器值。为了使转换器稳定，建议输出电容在20至68 uF之间。在该设计中，选择了单个中值47 uF电容器。我喜欢他在安全使用并遵守数据表的建议。大多数主要供应商，例如德州仪器（TI）和模拟设备（ADI），都对其设备进行了广泛的测试，并在其数据表中提供了出色的建议。在电源设计方面，您应该对功能有很好的了解，并且有充分的理由偏离数据表中的建议。例如，如果电源上的负载快速变化，则可以选择增加更高的电容。

除了输入和输出电容器外，还需要一个自举电容器来正常工作。制造商建议使用0.1 uF的陶瓷电容器。

最后要选择的是连接器。有各种各样的连接器可供选择，以适应市场上的各种需求。毕业生决定浏览Celestial库并找到他喜欢的库，因为没有对连接的要求，因此决定使用TE Connectivity的2针端子块来简化连接线和测试电路板。接线端子也很容易获得，并且其他带有2.54 mm共同夹点的接线端子连接器也可以轻松替换。我对输出上的USB A型连接器同样感到满意；但是，接线盒确实使测试变得容易得多。

 

TPS561208DDCR降压转换器的设计原理图

PCB设计

在进行PCB设计时，我没有向我的研究生工程师提供任何投入，他在原理图设计方面取得了很好的进展，没有陷入任何陷阱，所以我很感兴趣地看看他如何进行PCB设计。PCB设计是您很快就会出错的开关模式设计。当我第一次学习如何设计电源时，我肯定犯了一些错误，这些错误导致了高度不稳定的电源，这些电源看起来似乎没有任何原因，但是那是因为电路板布局不佳。开关电源如果进入不稳定状态，将无法原谅，并且当事情开始变得非常糟糕时，它将使魔术烟雾迅速散发。

他的第一个电路板设计在美学上看起来很出色，它紧凑并且从左到右流动得很漂亮……但是它的性能可能会很差。

 

由研究生工程师设计的PCB

尽管PCB看起来还可以，但是存在一些问题：

不遵循数据表中推荐的布局和设计技巧。德州仪器（TI）通常在其数据表中提供广泛的布局建议，应予以注意。您可能会认为数据表中的布局建议是针对经验不足的工程师的，但您可能会无视它们，后果自负。该建议通常是非常合理的，即使您要适应所需的电路板形状/区域并不是特别方便，也会带您进入一个布局理想的道路。

 

数据表中PCB的布局示例

电感器和电流环路的开关路径布线不正确，可能导致过多的串扰和EMI问题。开关稳压器的电流环路布局会严重影响您的性能，使其超出稳压器的稳定性，并使稳压器成为PCB上最嘈杂的东西。这可能是一种出色的方式，可通过样式使您的EMC认证不合格，然后将您送回以创建可解决问题的新电路板修订版。

第一次通过设计中的两个电流环路（输入（蓝色）和输出（红色））如下所示：

 

我NPUT和第一DC-DC降压转换器设计的输出电流回路

为了达到EMC的目的，通过调节器的电流路径应保持尽可能短。在这种设计中，输出电流路径过长。这将导致额外的噪声，开关串扰和EMI问题。电流环路应尽可能短和宽，以最大程度地减少辐射。

为了校正PCB板，我的主要建议是查看数据表，并研究电流在建议布局中的流动方式。电流以圆形方式流动，而不会交叉，而是提供电流回路-而不是经过自身的风景优美的弯路。这部分是为了确保从IC到关键组件（如上文所述的输入和输出电容器以及电感器）的最短路径。电容器的接地端应与稳压器IC的接地端尽可能接近，正电压引脚也应如此。

我还建议在不依赖多边形的情况下路由每条迹线，然后将多边形倒在这些迹线的顶部。通过首先手动路由跟踪，您可以直观地看到当前路径的位置。这在地面网络上最为关键，因为我发现许多经验不足的工程师会增加地面灌注量并假设一切都很好，而无需查看他们的地面是如何连接或流动的。

布局校正的第一步是正确的组件放置。组件位置取自推荐的数据表布局，并进行了少许修改以适应所选的组件。

 

遵循数据表建议的布局和设计技巧进行元件放置

第二步是手动布线所有走线，而无需放置多边形（甚至是地面）。跟随电流流过输入和输出环路以及电路的电流，需要执行此步骤。通过这种方式，您可以看到回路将持续多长时间以及电流将沿哪个方向流动：

 

手动布线的PCB

手动路由后，您可以检查当前循环：

 

尽管输入回路的变化不大，但输出回路的变化却得到了很大的改善

这样就形成了更具功能性的布局。第三步是在输入和输出回路中添加多边形，以便我们获得尽可能低的阻抗：

 

将多边形添加到输入和输出电流环路

最后，将顶层和底层接地平面添加到设计中。网络已经手动布线，因此我们知道他的设计将具有良好的接地电流路径-多边形仅增加了容量和屏蔽能力。

 

适当降压稳压器布局的PCB设计

 

PCB正确降压稳压器布局的3D视图

在更正了PCB布局之后，输出电流环路变得更小，并且输入和输出电流环路都朝向相同的方向：

 

最终布局的当前循环

结论

简单的DC-DC降压转换器的设计并不像将线性稳压器放入电路中那样简单。错误的组件选择或布局会给您的PCB带来额外的噪声，过多的电磁辐射，最糟糕的是，不稳定的稳压器在某些负载条件下的性能会下降或立即烧毁。 

在设计可调输出稳压器的原理图时，您需要明智地选择输出分压器。为分压器选择高阻值将提高轻载条件下稳压器的效率。但是，对噪声的敏感性会增加。选择低电阻值，效果反之亦然。

考虑到输入电源电压纹波和噪声以及调节器的电流需求（尤其是这些需求变化的速度），输入电容器的选择可能会非常复杂。输入电容器还将影响电源电压上的传导噪声电平，如果将其传导到电缆中，可能会引起EMC认证挑战。

开关模式稳压器上的电感选择非常关键，要确保它不会饱和并且具有正确的电感以确保有效运行。相位裕度和其他技术方面也会发挥作用，并影响稳压器的稳定性，但是，这本身可能是一篇深入文章的主题。

输出电容器的类型和参数将对输出电压轨上的传导噪声产生重大影响。使用错误的电容器类型可能会为您提供足够的电容，但仍会在输出上提供非常高的电压纹波，而不会进行过多的平滑处理。

PCB布局对于降压转换器也至关重要。对于电流环路，走线应尽可能短且尽可能宽。确保输入和输出电容器的两个引脚都有一条通向稳压器的简便路径。电流环路应短而圆形，并沿相同方向流动，以降低EMI。