《電子技術(shù)應(yīng)用》
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如何更好的設(shè)計(jì)便攜式電源
德州儀器
摘要： 講解如何更好的設(shè)計(jì)便攜式電源,。
關(guān)鍵詞： 便攜電源 LDO DC/DC電源 TI
Abstract：
Key words :

一: title="LDO">LDO 的選型和設(shè)計(jì)

1: LDO 的重要技術(shù)指標(biāo)：

  1. 導(dǎo)通壓降:
    定義為維持輸出電壓在標(biāo)稱值的100mV 范圍內(nèi)時(shí)，輸入電壓與輸出電壓的最小差值,。這個(gè)指標(biāo)直接反映出效率和電池壽命.
  2. 靜態(tài)電流/地電流(Iq  or Ignd ): LDO在無(wú)負(fù)載工作時(shí)自身所需要的電流,，直接反映出效率.
  3. 工作電流: 調(diào)壓器在滿負(fù)載工作時(shí),，自身所需要的電流,直接反映出效率
  4. PSRR – Power Supply Rejection Ratio電源干擾抑制率比：反映了電源的變化對(duì)該器件的性能指標(biāo)的影響．也反映了電源輸出產(chǎn)生的紋波反射到該器件的輸入端的大小．有衰減輸出紋波反饋到輸入的作用．

     

    小寫δ指電壓的AC值:  從100Hz,1KHz, 10kHz,100kHz.

2: LDO的選用和使用:

I: 選用LDO的不同封裝

根據(jù)最高環(huán)境溫度和最大功耗選擇LDO的封裝含義如下：
LDO 的最大功耗:

Pmax=(Vin-Vout)x Iout+IqxVin(可以忽略)

不同封裝最大能耗散的功率:

二者必須滿足以下關(guān)系式:

Pmax<Pd

例如：Vin=4.2V,Vout=3.0V@200mA    TPS79930DDC 封裝為: TSOT-23 Iq=40uA
工作于：Tj=1250C, Ta=700C, Rtherta=2000C/W

Pmax=(4.2-3.0)x200mA+40uAx4.2V=240mW.

PD = (TJ - TA)/ JA,。=(125-70)/200=275mW.

Pmax<Pd, 故可以選用此封裝LDO

下表所附是TI TPS79930 系列LDO的不同封裝的熱阻及該封裝在不同環(huán)境下的最大功耗：

II: 選用LDO的輸出電容:
此表反映了某系列LDO容許的輸出電容ESR的大小在4Ω  到10mΩ：


過大過小ESR 輸出電容可能導(dǎo)致LDO系統(tǒng)內(nèi)相位余量不夠而不穩(wěn)定, 如下圖所示:

  • 低的 ESR (50mOhm) 將零點(diǎn)移到高頻.

 

  • 這樣一來零點(diǎn)發(fā)生在0dB穿越頻率之后,意味著PL,P1兩個(gè)極點(diǎn)產(chǎn)生-180度總相移.
  • 系統(tǒng)不穩(wěn)定.

 

  •    

 

當(dāng)然TI也有一系列LDO輸出無(wú)須輸出電容：TPS732XX,，由于內(nèi)部誤差運(yùn)算放大器的相位余量足夠大，所以無(wú)須外加電容,，除非輸出電容的ESR和所有寄生電阻的乘積小于50nWF;另由于此類LDO內(nèi)部集成了一電荷泵提供內(nèi)部調(diào)整管的工作電源,，其輸入電壓最低可以達(dá)1.7V．所以從1.8V直接降壓到1.5V,1.2V  ,在輸出電流達(dá)250MA最低壓差為40mV

二: DC/DC 電源中電阻和電容的選擇和設(shè)計(jì):

1: 功率回路中的電容的特性和設(shè)計(jì)：

電解電容器一般都有很大的電容量和很大的等效串聯(lián)電感。由于它的諧振頻率很低,，所以只能使用在低頻濾波上,。鉭電容器一般都有較大電容量和較小等效串聯(lián)電感，因而它的諧振頻率會(huì)高于電解電容器,，并能使用在中高頻濾波上,。瓷片電容器電容量和等效串聯(lián)電感一般都很小，因而它的諧振頻率遠(yuǎn)高于電解電容器和鉭電容器,，所以能使用在高頻濾波和旁路電路上,。由于小電容量瓷片電容器的諧振頻率會(huì)比大電容量瓷片電容器的諧振頻率要高，因此,，在選擇旁路電容時(shí)不能光選用電容值過高的瓷片電容器,。為了改善電容的高頻特性，多個(gè)不同特性的電容器可以并聯(lián)起來使用,。圖3是多個(gè)不同特性的電容器并聯(lián)后阻抗改善的效果,。

ΔV= ΔI X ESRCout

當(dāng)然并聯(lián)越多, ESR越低,輸出紋波越小.



 

2：功率回路中的電感特性和設(shè)計(jì)：

I:Buck電路中輸出電感的選擇:

電感量的計(jì)算方法,  DC/DC 輸出電感電流波形根據(jù)工作的模式不同如下圖所示:


參數(shù)r的說明:

一般r值我們選0.25-0.5（最大輸出電流時(shí)）

從公式可以看到， r隨輸出電流變化而變化,，當(dāng)r=2時(shí),，電感工作模式從連續(xù)過度到非連續(xù)。
基本方法的計(jì)算公式是從V=L*di/dt演化出來：


正激類輸出濾波電感和 變換器輸出電感相同一般工作在電流連續(xù)模式,。電感量為：

                     

Ui----電感輸入端電壓
D---Ton/T占空比
Uo---輸出電壓
F=1/T---開關(guān)頻率
k=ΔI/2Io

允許的紋波電流越小,，即 越小,，電感越大，紋波電流,， 反之,，電感較小，要求的電容較大,， 一般k=0.05~0.1

 II: 電感飽和電流必須滿足以下公式:

 

一般選擇電感的飽和電流大于或等于控制器的最大開關(guān)電流.

Boost和Buck-boost電感的設(shè)計(jì):

當(dāng)設(shè)計(jì)為連續(xù)工作模式時(shí),所需的電感量必須滿足以下公式:


式中Ii=Io/η(1-D)---輸入電流平均值.
η---變換器效率.
當(dāng)設(shè)計(jì)為斷續(xù)工作模式時(shí),所需的電感量必須滿足以下公式:

式中: Ui---電感輸入端電壓

3：系統(tǒng)的穩(wěn)定性補(bǔ)償：

這是一電壓式(VM) DC/DC控制器的頻響曲線: (沒有回路補(bǔ)償)




從以上曲線可以看出:

  • 主極點(diǎn)由輸出電感電容諧振決定的雙重極點(diǎn).增益以-40Db/斜率下降
  • 輸出的等效內(nèi)阻ESR和容值構(gòu)成一級(jí)零點(diǎn),，此時(shí)增益以-20Db/斜率下降直到過零點(diǎn).,這樣一來使得相位余量的范圍在450到900
  • 但當(dāng)輸出電容的ESR太低,相移可能達(dá)到1800, 而且f0 太接近開關(guān)頻率(f0>fsw/3),也會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定.

綜上所看:

高ESR 的輸出電容 Cout , 可以得到更大的相位余量,但同時(shí)輸出紋波較大,因?yàn)?nbsp;  ΔV= ΔI X ESRCout.    . 低感量的輸出電感可以得到更大的相位余量,在在負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)中過沖很小,但開關(guān)電流的峰值高會(huì)很高,即輸出輸出紋波較大.





因此我們可以說, 電源設(shè)計(jì)是一系列的折衷考慮.

為了使我們的電源系統(tǒng)更加穩(wěn)定, 如果有調(diào)整電壓輸出反饋端,不過去我們可以通過以下方法調(diào)整, 使的我們可以在采用在采低的ESR電容, 輸出紋波更低的條件下系統(tǒng)更穩(wěn)定.

I: 一般的電壓分壓反饋網(wǎng)絡(luò):

傳輸函數(shù) G(S):

           

 

II: 加入一前饋電容: 

其傳遞函數(shù)和增加的一級(jí)零, 極點(diǎn)如下:



 

III:



這種補(bǔ)償方式增加一零點(diǎn)和一高頻極點(diǎn)但減少了高頻增益.被用于增加系統(tǒng)的相位余量.

 

 

IV:


這種補(bǔ)償方式用于減少DC/DC變換器的高頻增益, 提高相位裕量.并且減少反饋端的噪聲. 但電容容值不能太大,  否則可能使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)減慢. 

 

四：PCB板設(shè)計(jì)布局

1: PCB板設(shè)計(jì)布局的一般原則



I: 器件的放置的優(yōu)先級(jí)：
先功率器件(MOSFET, 整流二極管，輸出電感, 輸出電容), 后 控制IC,最后IC周邊
II:  功率回路盡量短, 如上圖所示加粗線路: 電流從輸入到輸出的路徑.
III: 地線: 一般電源里有功率地和控制地, 要求分別采用星形接地法連接到控制IC的功率地和控制地, 后在IC 下通過一個(gè)過孔聯(lián)結(jié)在一起.
IV: 注意幾個(gè)敏感點(diǎn):
        FB pin 或 I sense 電流取樣端: 盡量遠(yuǎn)離功率回路, 即上圖中加粗的部分, 特別提醒,反饋線不能從電感下通過. 這部分線可以走的稍遠(yuǎn)些. 反饋取樣電阻及電容盡量靠近IC.
         Switch Node: 在開關(guān)電源里,   在這一點(diǎn)的電壓波形以開關(guān)頻率(如1.2MHZ)從輸入電壓到地高速切換,所以有很高的 dV/dt ,電磁輻射非常嚴(yán)重. 因此我們?cè)诋婸CB時(shí),避免把此點(diǎn)設(shè)計(jì)為一天線,要求輸出電感盡量靠近MOSFET 或SW腳, 使這點(diǎn)盡量短, 使用多層PCB, 避免通過寄生電容偶合到地和信號(hào)通到,。


 

2: 注意過電流量:

  • 電流1A, 1 盎司的銅, 線徑最小 = 12 mils Min.
  • 電流5A, 1/2 盎司的銅, 線徑最小 = 240 mils Min.
  • 電流20A, 1/2 盎司的銅, 線徑最小 = 1275 mils Min.
  • 3oz = 0.105mm
  • 2oz = 0.070mm
  • 1oz = 0.035mm

3: 實(shí)例:

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