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DC-DC 电源电路设计考虑2

•   魏华平，朱玉龙 汽车电子设计

  

  这是设计注意的第二部分，里面很大的一部分是细节的总结。

  正规一些的做法，是将这些内容整理成Lesson Learn的格式，对于某些叙述性的，可以作为导言，检查性的作为Check List，在产品评审的时候，作为审查的注意点。

  一般注意事项

  1. 使用开关电源无非是应用它效率高，体积小等优点，因为它的效率来自于开关频率，所以会存在不希望出现的EMI干扰问题。

  2. 设计的时候需要让电源工工作CCM模式，而DCM模式电源功耗与纹波比较大，在设计的时候必须考虑到轻载与重载模式。

  3. 输出纹波是一个非常重要的指标，对于DDR或者核心逻辑器件芯片的供电来讲，电源的波动将导致问题的后果很严重。

  4. 目前使用的小功率的DC-DC 的工作频率一般在300KHZ-3MHZ，在复杂电路使用的时候特别注意干扰问题，比如AM收音机等。

  5. DC/DC 转换器产生的噪声大致分为纹波噪声和尖峰噪声：

     • 纹波噪声是当开关动作引起的线圈电流、储存在线圈中的电流能量释放到负载电容（CL）时，电容的ESR（串联等价电阻）和直流电流中产生的噪声。

     • 根据电容的种类有很大差异。

       使用ESR成分多的钽电容及铝电解电容时噪声增大，使用陶瓷电容等低ESR 电容时则较小，成正弦波式的纹波波形。

     • 尖峰噪声是随当开关动作转换的时机产生的高频噪声，其原因主要在于驱动晶体管陡峭地启动或停止时而产生的。

       当需要观测尖峰噪声时，必须注意测定方法。

     • 根据测定用布线的处理方法，有可能不能正确地测定。

       特别需要注意的是探头附近的接地处理。

       为了不让探针收集噪声而实施取消探针接地等处理，必须把探针端子以最短距离直接与引脚接触。

     • 常见的失败中，有在测定器的高频过滤器开关成导通状态时进行测定的事例。

       DC/DC 转换器的尖峰噪声为20～50MHｚ的高频噪声。

       在高频过滤器成导通状态时是测定不出的。

  6. DC/DC 转换器电路应重视的项目有：稳定工作(＝不会因异常振动等误动作、烧损、过电压而损坏)效率高，输出纹波小，负载瞬态响应好

  7. 具体电路参数计算请使用“开关电源Buck与Boost电路元件参数评估与计算.xlsx”

  8. 电源模块是否标注负载的最大电流.效率

  电源模块是否满足输入端电压要求

  1. 开关电源的输出滤波电容是否选择合理，

     1. 开关噪声滤波电容（一般是陶瓷电容或钽电容）

     2. 高频噪声滤波电容（一般是陶瓷电容）

     3. 计算开关纹波电压，负载变动时的纹波。

     4. 考虑负载变动时的蓄能电容（一般是电解电容，钽电容）

  2. 开关电源输入端是否评估增加滤波电感，用于降低开关电源EMI干扰。

     车机等带收音功能产品的主电源必须有输入电感隔离。

  3. 开关电源输入滤波电感取值是否合理，经过计算、输出电感的值选择应该按照拓扑结构与实际应用电路计算得到。

  4. 电源IC的散热计算及OCP,OVP,OTP防护等级，及预设值的参数是否合理。

  5. 非同步开关电源模块的续流二极管是否满足电流，电压，散热要求

  6. 降压型开关电源要避免工作在不连续模式。

     带FM/AM功能的产品的开关电源禁止进入不连续模式工作。

  7. 电源模块需要有短路保护功能

  干扰&EMC的考虑事项

  1. LDO输出端滤波电容选取时，应注意参照手册要求的最小电容、电容的ESR/ESL等要求确保输出电压稳定，推荐采用多个等值电容并联的方式，增加可靠性以及提高滤波效果。

  2. 所有主电源及分支电源需要增加O欧姆电阻、滤波电感、或者磁珠，一方面可以改善电压纹波，另一方面好方便测试整机的功耗

  3. GPS、GPRS、BlueTooth、WiFi、EartherNet等高频模块的主控电源，

     1. 需要单独供电最好使用LDO供电，增加电感或磁珠，防止高频电源噪声串扰

     2. 滤波电容建议采用多个等值电容并联的方式，以增加可靠性以及提高滤波效果

  4. EN脚的需要有上下拉电阻与去耦电容，如果使用PWM使能，还需要考虑到PWM的频率

  5. 建议在设计原理图的时候先画框图，然后根据框图画出系统的电源供电树，方便计算整体电流与功耗

  6. 考虑电源的EMI（传导与辐射） Layout要保证功率环路面积小，地平面大，输入电容靠近芯片，SW尽可能短，改善传导，可以在输入端加一个π型滤波器

  7. BUCK转换器的输入电容在开关频率点的阻抗应该远小于电源阻抗，以减少开关对电源的干扰。

     1. 容值建议选10uF以上。

        而使用电解电容,推荐容值220uF以上，建议使用X5R或X7R陶瓷电容作为输入电容。

     2. 如果用电解电容,必须并上104或者105的瓷片电容。

     3. 耐压选择:对于电解电容和陶瓷电容，耐压应为1.5倍输出电压；对于钽电容，耐压应为2倍输出电压,输出电容所能承受的RMS电流需要计算。

  8. 纹波的测量也极其重要，否侧无法准确定位干扰。

  9. 对于电源模块电路或者PMIC电路布线规则、布局规则等设置是否合理

  
  环路设计（所需经典控制理论，环路稳定性分析）

  1. RFB反馈电阻选择：DC/DC反馈网络的电阻不能太大，一般使用10K到几十K（1%），反馈网络的上分压电阻并联的电容不能过大，一般是10PF左右，也可根据开关频率计算选择最近值，没有特殊要求也可选择不加。

     1. 因为流向RFB1、RFB2 的电流没有被作为输出功率使用，而视作DC/DC 转换器的损失

     2. 提高轻负载时的效率的话，要将RFB1、RFB2 设定得大一些(RFB1+RFB2<1MΩ左右)。

     3. 提高重负载时的瞬态响应的话，则要做好轻负载时的效率差的准备。

     4. 使用FB（反馈）时，RFB1、RFB2 用于决定输出电压，对同一输出电压有时可考虑多种组合。

     5. 此时选择RFB1+RFB2=150kΩ～500kΩ比较妥当。

        这里成为问题的是轻负载时的效率和重负载时的输出稳定性。

  2. CFB前馈电容的选择

     1. CFB（和上反馈电阻并联的电容）是纹波反馈调整用电容器相位补偿电容，该值也会影响负载瞬态响应。

     2. 过小于该值或过大于该值工作稳定性都差

  PCB设计

  1. PCB设计时布局很关键，对于开关节点处和输入输出电容的位置需要按照规则处理。

  2. 反馈电阻靠近IC FB 输入端且接地脚必须会到IC的GND脚；反馈的走线也不要走的过粗了，一般0.2mm左右就可以了，避免引入噪声，电阻也必须使用至少1%的。

  3. 反馈电阻 远离SW信号,否则容易造成系统不稳定.并且取样需要从输出电容取。

  4. 尽量用一层布局和走线，尽量少用或不用过孔，特别是关键走线。

  5. 开关电源部分不允许出现其他走线，且需要单独做预留屏蔽框处理。

     

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