48V至3.3V稳压器设计项目

2020-07-13

我计划在48V电源上运行照明面板，这使我可以大幅度降低对微控制器供电的3.3VI需求。我需要一个具有宽输入电压范围的降压稳压器，该稳压器可以在非常低的占空比下运行。我需要低占空比，因为电流消耗会很小。话虽这么说，一些稳压器不太喜欢，或者只是不允许输入到输出电压有如此大的差距。在寻找稳压器之前，我需要弄清楚ESP32的功耗是多少。其中包含各种州的电流消耗表，这为我提供了一个很好的基准。那里的表建议正常运行电流约为20-50mA，全速传输数据时建议高达250mA。

由于空闲状态下的大压降和低电流消耗，我不确定电源输出的稳定性如何，因此我将调节电源至4.0V，而不是直接降至3.3V。这个较高的电压将使我能够使用低压差线性稳压器（LDO）获得最终的3.3V。通过在开关电源之后使用线性稳压器，我可以获得非常稳定的低噪声输出，这将使ESP32中的无线电保持愉快状态，并使所有设备平稳运行。

决定使用LDO并知道需要提供约250mA电流后，我正在寻找一种单片（完全集成）稳压器IC，该器件可以在30-250mA的电流下从43-53V输入提供4.0V电压。我决定采用3x3mm DFN封装的Analog Devices LT8619。3-60V的非常宽的输入范围，尤其是30ns的“快速最小接通时间”，吸引了我。它也是一个相当低的噪声LDO，对于处理RF或音频应用的任何事物都是有利的。

电源设计

电源设计是一个反复的过程。如果更改一个组件值或操作条件，则需要重新计算所有其他值和条件，以确保所做的选择仍然有效。对我而言，这是选择调节器，然后设计所需时间最多的原理图的方面。

开关频率

尽管稳压器IC是高效率部件，但我只是不太期望在将要利用的低电流消耗下提高效率。因此，选择良好的开关频率尤为重要。较高的频率往往会为您提供更小的组件，但是，我需要了解具有占空比的最小导通时间。较低的频率将提供较高的效率和较大的输入电压范围，但以较大值的元件为代价。经过多次计算之后，我将以最低频率300kHz运行稳压器。

我最初计算的设计约为1250kHz，但是在完成布局并仔细查看所有公式之后，我意识到稳压器永远不会在该频率下进入强制连续模式。即使在300kHz时，它也可能没有，但至少有机会以最低频率进入更有效的运行模式。

在300kHz时，我的占空比应为8.35％，最小导通时间为257nS。在250mA的满负载下，效率将高达85％，但是在50mA的负载下，效率下降到56％，这相当令人沮丧。从绝对值来看，损耗实际上只有160mW，很小，但是由于涉及的功率如此之小，它所占的比重很大。与以前的单片LED驱动器 IC项目不同，在这个项目中温度对我来说不是问题，因为即使效率如此之低，我也希望DFN封装的温度只会上升6.5°C（43° C / Wθja。）

电感选择

既然已经确定了开关频率，就可以为电源选择一个电感器。我计算出，在我们的300kHz开关频率下，最佳电感约为25.52uH，在低成本封装中，最接近我的选择是22uH和27uH。

最初，我担心将适合最初计划的1258kHz频率的低DCR电感器更改为具有相似占位面积但电阻更高的电感器。我觉得130毫欧的电阻应该可以，因为我没有通过它。数据表证实了这一点。虽然建议的电阻为40毫欧左右，但数据表却指出，以100毫欧为代价是一个不错的折衷选择，但会牺牲效率。尽管这样做可能还不错，但我不愿意为了节省一些重新设计的时间而在工程设计上做出取舍。如果较小的电感器便宜得多，或者具有其他优势，我可能会坚持使用，但是我唯一值得注意的优势就是节省了一些精力。因此，我们将在本文后面介绍两种设计。

反馈电容

稳压器使用分压器进行反馈，就像其他稳压器一样。但是，考虑到电压差和负载较小，我认为模拟反馈环路是一个好主意。在分压器的上臂上没有电容器时，相位裕度低于绝对最小额定值30度。通过在分压器顶部电阻上添加一个3300pF电容器，我能够使相位裕量提高到约52度，这高于建议的最低45度。这大大改善了负载瞬态曲线。

不带C7的负载瞬变。右：用C7加载瞬态

输入过滤器

我在其他一些项目中提到了对开关电源的输入进行滤波的重要性。通常，我们会花很多精力对输出进行滤波，以确保我们几乎没有EMI和来自下游电源的纹波，从而减少了电路问题。当您进行合规性测试时，这种对下游过滤和输入过滤的疏忽的关注可能会再次吸引您。

上面是开关电源输入端的传导EMI的仿真。红线是CISPR25限制，如果要通过汽车用途认证，则需要遵守这些限制。该设计并非旨在用于汽车用途，但这是一个易于使用的示例。灰色混乱是没有滤波器的传导EMI。它显然严重超出了限制。您可能只需要在左下角和右下角划出的蓝色走线就是带有基本PI滤波器的传导EMI。

VIN和VILT之间的简单PI滤波器

这种简单，低成本的滤波器在106.16MHz时提供超过50dBμV的裕量，而不是失败时超过20dBμV。上图中的C3和C4是调节器的现有输入电容，仅在设计中添加了C1 / C2和L1。

电磁兼容性不是产品的可选部分，它是强制性要求，因此在设计任何东西时都必须放在您的首位。您切换的电流越多，您就需要更多地关注传导和辐射发射的潜在来源。

线性稳压器

正如我在本文开头提到的那样，我想在开关模式电源的最终输出阶段使用线性稳压器。这是由于以下事实：ESP32中的无线电需要具有清洁电源以实现最佳性能，并且提供清洁电源的最佳方法是通过线性稳压器。线性稳压器将提供来自开关模式稳压器的最终电源清理功能，并且压降只有4V至3.3V，将产生很少的热量。

使用Diodes Inc AP2112K的低压差线性稳压器

我为此设计选择了一个相对通用的Diodes Inc AP2112K稳压器，SOT-23-5封装紧凑，但足够大，可以承受该项目的电流/热量。我在稳压器中寻找的主要规格是压差电压。在输入和输出之间具有0.7V的最大可接受压差电压，这排除了很多选择。AP211K的压差电压为0.4V，符合我的要求。此外，它非常便宜，总是很好。

线性稳压器在支撑组件方面几乎不需要。电容为1μF时，输出将稳定。我的输入端也有1μF的电容，主要是为了在稳压器附近安装一个去耦电容。开关电源上的大量输出电容将超过任何输入电容要求。

在我的实现中（将使用此稳压器），ESP32将在模块旁边具有它自己的大容量电容和去耦电容器，因此尽管更大的大容量电容对于设计可能是有利的，但这超出了本项目的范围。对于该设计，具有足够的电容来确保稳压器的稳定输出就足够了。

成品示意图

原理图的其余部分相对简单。我们在输出上有去耦电容器，以确保下游几乎没有纹波，欠压锁定分压器以及用于视觉反馈调节器工作状态的LED。LED还在开关模式稳压器上增加了一点额外负载，这将略微提高其工作效率。

初始电路板设计

如前所述，我本来是用一块6mm的方形电感设计该板的，该电感非常适合较高的开关频率。

最初设计的带有6mm方电感的电路板

上图中的PCB在布线之后