48V 至 3.3V 稳压器设计项目

2021-07-19

48V 至 3.3V 稳压器设计项目

我计划在 48V 电源上运行灯板，这让我有很大的下降，以降低为微控制器供电的 3.3VI 需求。我需要一个具有宽输入电压范围的降压稳压器，它可以在非常低的占空比下运行。我需要低占空比，因为电流消耗会很轻。话虽如此，一些稳压器不太喜欢这个，或者只是不允许输入到输出电压有这么大的差距。在寻找稳压器之前，我需要弄清楚 ESP32 的功耗是多少。那里的表格建议正常运行电流约为 20-50mA，全速传输数据时高达 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，所以我将把电源调节到 4.0V，而不是直接调节到 3.3V。这个更高的电压将允许我使用一个低压差线性稳压器 (LDO) 来获得我的最终 3.3V。通过在开关模式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 中的收音机保持正常运行，并保持一切顺利运行。

决定使用 LDO 并知道我需要提供大约 250mA 的电流后，我正在寻找一种单片（完全集成）稳压器 IC，它可以在 30-250mA 的 43-53V 输入中为我提供 4.0V。我决定采用采用 3x3mm DFN 封装的 Analog Devices LT8619。我被 3-60V 的非常宽的输入范围所吸引，特别是被 30ns 的“快速最短开启时间”所吸引。它也是一个相当低噪声的 LDO，这对于处理 RF 或音频应用的任何事情都是有利的。

与我的所有项目一样，您可以免费找到完整的项目，并在我的GitHub 上作为开源发布，包括原理图和 PCB 文件。如果您想构建类似的电源，或者使用本文中的设计作为满足您独特要求的自己设计的基础，这应该为您提供所需的一切。

电源设计

电源设计是一个迭代过程。如果您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，以确保您所做的选择仍然有效。对我来说，这是选择稳压器，然后设计最耗时的原理图的方面。正如您将看到的，在完成设计之前，仔细检查所有这些计算并重新阅读数据表中的所有注释非常重要。

开关频率

尽管稳压器 IC 是一个高效率部件，但我对我将使用的低电流消耗的效率没有太多期望。这使得选择一个好的开关频率尤为重要。较高的频率往往会为您提供较小的组件，但是，我需要了解我所拥有的占空比的最小准时时间。较低的频率将提供更高的效率和更大的输入电压范围，但会以更大的元件为代价。在进行了多次计算之后，我将在 300kHz 的最低频率下运行调节器。

我最初计算了一个大约 1250kHz 的设计，但在完成布局并返回所有方程后，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，它仍然可能不会，但它至少有机会在其最低频率下进入更高效的运行模式。

在 300kHz 时，我应该有一个 8.35% 的占空比，最短时间为 257nS。在 250mA 的满负载下，效率将高达 85%，但在 50mA 负载下，这下降到 56%，这是相当令人沮丧的。从绝对值来看，损耗实际上相当小，仅为 160mW，但由于涉及的功率如此之小，所以它加起来占很大比例。与之前的单片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，因为即使效率如此低，我预计使用 DFN 封装（43°C）我也只会看到 6.5°C 的温升C/W θja。）

电感选择

既然已经确定了开关频率，就可以为电源选择电感器了。我计算出在我们的 300kHz 开关频率下，最佳电感约为 25.52uH，对我而言，低成本封装中最接近的选项是 22uH 和 27uH。

最初，我担心将非常适合我最初计划的 1258kHz 频率的低 DCR 电感器更改为具有类似占位面积但电阻要高得多的电感器。我觉得 130 毫欧电阻应该没问题，因为我没有通过它施加太多电流；数据表证实了这一点。虽然建议的电阻约为 40 毫欧，但数据表指出，100 毫欧是一个以牺牲效率为代价的尺寸的良好折衷。尽管这可能很好，但我并不满意为了节省重新设计的时间而进行工程权衡。如果较小的电感器便宜得多，或者可能有其他一些优势，我可能会坚持使用它，但我唯一值得注意的优势是节省了一些精力。因此，我们将在本文后面介绍这两种设计。

反馈电容

稳压器使用分压器进行反馈，就像任何其他稳压器一样。然而，考虑到相当大的电压差和小负载，我认为模拟反馈回路是个好主意。由于分压器的顶端没有电容器，相位裕度低于 30 度的绝对最小额定值。通过在分压器的顶部电阻上添加一个 3300pF 的电容器，我能够将相位裕度提高到大约 52 度，高于建议的 45 度最小值。这大大改善了负载瞬态曲线。

输入过滤器

我在我的其他一些项目中提到了过滤开关电源输入的重要性。通常我们会花很多精力来过滤输出，以确保下游电源的 EMI 和纹波非常少，从而减少电路问题。当您进行合规性测试时，这种对下游过滤的关注和对输入过滤的疏忽可能会再次困扰您。

以上是对开关电源输入端传导 EMI 的模拟。红线是 CISPR25 限制，如果要获得汽车使用认证，您需要遵守该限制。此设计并非旨在用于汽车用途，但它是一个易于使用的示例。灰色的混乱是没有过滤器的传导 EMI；它显然严重超出了限制。蓝色轨迹，您可能只能在左下角和右下角辨认出来，是带有基本 PI 滤波器的传导 EMI。

说明：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 下提供超过 50dBμV 的裕量，而不是超过 20dBμV 的失败。上图中的 C3 和 C4 是稳压器的现有输入电容，设计中仅添加了 C1/C2 和 L1。

电磁合规性不是产品的可选部分，而是强制性要求，因此在您设计任何东西时都需要放在首位。您切换的电流越大，您就越需要关注潜在的传导和辐射源。

线性稳压器

正如我在文章开头提到的，我想在开关电源的最终输出级使用线性稳压器。这是因为 ESP32 中的收音机需要有清洁电源才能获得最佳性能，而提供清洁电源的最佳方式是通过线性稳压器。线性稳压器将提供来自开关模式稳压器的最终电源清理，并且只有 4V 至 3.3V 的压降，产生的热量非常少。

说明：使用 Diodes Inc AP2112K 的低压差线性稳压器

我为这个设计选择了一个相对常见的 Diodes Inc AP2112K 稳压器，SOT-23-5 封装紧凑，但足够大来处理这个项目的电流/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 的最大可接受压差排除了很多选择。AP211K 的压差为 0.4V，符合我的要求。此外，它非常便宜，这总是很好。

线性稳压器需要很少的支持元件。输出将在 1μF 的电容下稳定。我在输入端也有 1μF 的电容，主要是为了在稳压器附近放置一个去耦电容器。开关模式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——将使用这个稳压器——ESP32 将有它自己的大容量电容和位于模块旁边的去耦电容器，因此虽然更多的大容量电容可能对设计有利，但这超出了项目的这一部分的范围。具有足够的电容以确保稳压器的稳定输出对于此设计就足够了。

成品示意图

原理图的其余部分相对简单。我们在输出端安装了去耦电容器以确保下游几乎没有纹波、一个欠压锁定分压器和一个 LED 用于视觉反馈调节器正在运行。LED 也是开关模式调节器上的一点额外负载，这将略微提高其工作效率。

完成的示意图

如上所述，此设计在 GitHub 上，因此如果您愿意，您可以下载原理图并自行尝试。

初始电路板设计

正如我上面提到的，我最初设计的这块板带有一个 6mm 方形小电感器，非常适合更高的开关频率。

最初设计的带有 6mm 方形电感器的电路板

对于我想为这个设计分配的电路板面积，一切都完美契合，并且布局有一个短的稳压器电流回路。

上图中的 PCB 布线后

我对这个设计非常满意，并准备称其为“工作完成”。然而，在您称设计完成之前，回顾您的笔记、浏览数据表并重做所有计算总是一个绝妙的主意。电源设计是一个迭代过程，如果我在迭代过程中过于专注于设计和计算的某个方面而错过了一些东西，这并不奇怪。

如果输入电压较低，或者输出负载较高以允许我最初确定的工作频率，我会很乐意在我的最终项目中包含最初设计的电源。该设计本来可以工作，但是，它永远不会有机会在输入和输出条件下达到稳压器的最高效率状态。

电路板重新设计

适合设计的电感最终是表面积的四倍。在执行工程变更单以更新 PCB 时，我们得到了一个非常有趣的 Altium 3D 车身间隙检查演示。

显然，这种布局需要发生巨大的变化。

尝试尽可能少地更改布局会导致电流环路出现不良结果

我一直坚持尽可能少地改变布局，因为我很懒。不过，这种方法对我来说效果不佳，因为我可能对布局有点着迷。此处去耦电容器之间的电流回路太长，尤其是来自较大的铝聚合物（紫色）电容器。

此时我意识到我将不得不对组件进行更彻底的重新安排，以实现更优化的布局，是时候停止依附于旧布局了。

修改后的布局。连接器从电路板移开约 1.5 毫米

使用大电感器，电流回路被迫更长，但我对这种布局更满意。两个输入滤波电容器最终在 VIN 连接器附近向下移动，而不是靠近输入电感器，这是可以接受的，因为输入的滤波不如正常工作的电源那么重要。我们有足够的裕量让输入滤波器满足法规要求，但是运行不良的电源或辐射大量 EMI 的电源对我们来说根本不起作用。

最终 PCB 的 3D 视图

连接器还必须从电路板上移开约 1.5 毫米，电路板加长约 1 毫米，使我可以使用的宽度增加约 4 毫米。

最后

这种布局和设计现在可以在我的大功率照明项目的下一步中使用。我本可以简单地展示设计过程并跳过我的错误，但正如 Alexander Pope 所写的那样，“犯错是人性；原谅，天啊。” 我只是人类，希望你能原谅我的错误。即使是经验丰富的工程师也需要仔细检查他们的数字并重新阅读数据表，然后才能称设计完成。否则，很容易在您的原型板中出现问题。如果问题很小，它可能会一直进行到大规模生产，然后才会导致纠正成本高昂的问题。