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原创 ADI设计赛

多模式交错电源

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konglan
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初级工程师
  • 2019-9-21 20:35:50
        为实现理想电源的低纹波、快响应、高效率、低功耗、宽电流域等功能,需要使用电流控制CCM模式实现快速响应、高频实现低纹波、休眠结构实现低功耗、同步整流实现高效率。以上四点均可用ADI的集成芯片实现,但这几项性能相互制约,无法同时达到极致性能,需要一种技术实现多种电源芯片的交互工作。
        实现宽电流域的交错电源,需要低功耗的电源工作状态监测电路。碍于60UF的总电容限制,无法简单的进行多个电路的监测和切换工作,因为低负荷效率、低纹波、快输出响应及环路稳定性都严重依赖输出电容的容量,只得将多路电源输出电感直接相接,共用输出电容。
      解决方案为双路交替工作,功率级分别是LT8643S和LT8645S,其中集成MOS开关的LT8643S可以在高频下实现快速响应的CCM模式,这款芯片还支持可配置的外部补偿,而LT8645S可实现低空载电流和满载的高效率,运行在较低的开关频率。
QQ截图20191230203802.png
Ricardo_hacker
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本网技师
  • 2019-11-5 15:38:59
 
有点溜!啥时候测试?
konglan
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初级工程师
  • 2019-11-19 09:38:42
 
已经做完了
konglan
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初级工程师
  • 2019-11-19 10:09:50
 
        我先做的是LT8643和LT8645s方案,有一组认识的,他们要考研没时间做,就把芯片给我了。鉴于方案的相似性,可以先将这俩芯片作为实验平台,测试LT8643和LT8645这两片芯片在不同的工况下,不同的条件下的工作特性,这样更稳妥。    具体方案如下:
LT8645S一直工作在Burst模式下,实现空载和满载的高效率,LT8643S以CCM工作在100mA到1.5A的输出电流段。当LT8643S开启时,LT8645S无法吸电流,自动处于休眠状态。以上功能的实现需要有个标志,切换不同的芯片会导致回路特性发生根本性的改变,需要低功耗输出状态采样电路。为了提高静态和轻载性能,读取LT8645s的状态信息作为电流测量控制逻辑电路的启动信号,这可以利用LTC2067的使能端实现。
下面是实验板的PCB图,和动态测试图。

QQ截图20191119095616.png                    QQ截图20191119100238.png

其它的图忘拍了,下次补上。
记得测试指标如下:
空载电流2.4ua,轻载效率79%,重载效率94.8%,纹波3mv,动态响应最高15mv
合计总分:93分左右。上次把效率测错了,还以为有96%的效率
后续会发布一些调试细节,敬请期待

haijianwei2009
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高级工程师
  • 2019-11-20 13:36:19
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方案新颖,顶一下,期待更新
Thaddeus
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高级工程师
  • 2019-11-27 08:59:16
  • 倒数9
 
頂一下,會不會更新呢;
konglan
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初级工程师
  • 2019-12-30 20:41:21
  • 倒数8
 
LT8645-LT8643方案:
设计的基本参数:输入电压12V,输出电压2.5V,电流可达2A。在此基础上优化空载电流、轻载效率、纹波、动态响应、效率。
设计一款较好符合比赛要求的电源需对电源的各方参数做出整合和推敲。低纹波、小负载波动、高效率、低静态功耗均可用ADI芯片实现,但无法用同一个芯片达到所有指标的极致。其中最难的是效率的提升,这个局限于芯片和物理法则,不作为首要考虑的重点。次难的是动态响应,这要求电路快速动作,这显然与轻载和空载性能要求相反,具体可参考LT8643和LT8645的区别。将他们融合在一起谋求两个芯片性能的叠加,成为一个不错的选择。
    解决方案为双路交替工作,功率级分别是LT8643S和LT8645S,其中集成MOS开关的LT8643S可以在高频下实现快速响应的CCM模式,这款芯片还支持可配置的外部补偿,而LT8645S可实现低空载电流和满载的高效率,运行在较低的开关频率。
LT8645S工作在Burst模式下,实现空载和满载的高效率,LT8643S以CCM工作在100mA到1.5A的输出电流段,且输出设定电压比LT8645S高一点,当LT8643S开启时,LT8645S自动处于休眠状态。以上功能的实现需要低功耗输出电流采样电路,ADI具有使能端LTC2067可以完美的用亚毫欧电阻对0.1A到2A的输出电流进行采样。为了提高静态和轻载性能,读取LT8645S的状态信息作为电流测量控制逻辑电路的启动信号,这可以利用LTC2067的使能端和电感副绕组实现。控制框图如下图1.1.
本方案看似有3个状态,实际上只有两个,主工作状态是LT8645,他的工作空白区间是0.1-1.5A,在空白区间内是LT8643以超高的开关频率和超快的环路,抑制纹波,压低动态,而这整个模式切换只需要一个电流采样和窗口比较器控制LT8643的使能就可以实现。这是我思前想后最简单的控制逻辑了,这个方案还有个优点,负责效率的电感和开关频率是独立与高速部分,便于优化最终的效率,负责高速的部分可以选取更合适的电感,以谋求最好的动态响应。

QQ截图20191230203802.png
konglan
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初级工程师
  • 2019-12-30 20:51:32
  • 倒数7
 
原理图如下,图中总电容55UF


左上角部分为工具模块LT8643,除了基本配置,外加一个控制使能的窗口电路,模式脚可以浮空,接上只是为了了解这个芯片的更多细节。左下方为这个电路的基本结构,这个模块除了LT8645的基本配置和唤醒部分,最重要的就是那个阻容分压结构。这个区域放大图如下图2.2所示。

为了高的效率,LT8645需要工作在大电感和低开关频率条件下,在之前的实验板上LT8645出现了运行不稳定的现象,可这个芯片没有外部补偿,只能通过其它方式使环路稳定,阻容分压结构就不错,可以在高低频之间产生一个零极点对,降低高频段的反馈系数和环路增益达到补偿的目的,下图2.3是在4.5uh-370khz小的1A-2A动态响应。可见环路的稳定性还是很不错的。
[
左下方为铜箔电流采样技术,电流检测芯片为LTC2067,失调电压在1uv左右,铜箔采样电阻为0.7欧左右,采样电流的精度校准使用下部电流源的负载电阻。这个模块也是这个电路在调试时遭遇“玄学”最多的地方,下图2.4是该区域的放大图。

图中左侧构成了最普通的电流检测结构,最初的问题是LTC2067的供电是以地为参考的,并且通过rc结构从输出电压上取电,这种结构可以保证这个芯片的使能端被外部轻载检测触发启动。这是这个结构导致了严重的问题,左侧2、3号脚要承受大量高频共模,这将导致两个严重的问题,首先是小电流的采样完全是错误的,容易在没有负载的情况下容易被干扰(示波器电流探头测量PWM时)触发LT8643的启动,另外一个问题是电流检测的非线性,这个原理不明,应该和放大器内部结构有关。上述问题可以通过在这两个引脚和采样铜箔间插入rc滤波器来缓解,事实证明这种措施十分有效,电流采样电路对动态采样结果如下

此处二号“玄学”是电流采样输出脚的迷之漏电流,经过反复排查,确定初始漏电流由斩波放大器引脚输入引发的电荷泵效应将高电压引脚的的电荷泵送到低电位的引脚。发生这种神奇现象的根本原因是我用斩波运放OPA2333作为比较器来是,因为手头可以工作在低电压的低功耗运放或比较器不多。这个问题通过更换普通低压运放后,唤醒后的漏电流问题基本解决,其实不完全解决,LT2067也是斩波运放,另一半也是连接电流采样作为比较器使用,用来使能LT8643和自锁使能端,可能由于引脚压差太小或内部特殊结构,没有形成可观漏电流。
之后是漏电流二号出场,这次漏电的原因是外部运放的强行使能导致电流流过芯片通过ESD结构从运放输入脚漏向电流采样端口。这个现象发生在实验板上,是外部运放使用低侧MOS开关跟随LT8643一起被唤醒,在未唤醒前运放的地引脚浮空,被内部漏电拉到高电平,这个地又和输入脚有个二极管,自然就会从这个脚向外漏电流。解决方案使用一个NMOS和一个PMOS同步驱动,将芯片和地同时断开。
上面的操作引出了漏电流三号,漏电流三号表现非常诡异,在示波器可以看到控制逻辑回路在稳定震荡。在没有任何输出电流的情况下,电流采样输出出现间距极大的小尖峰,这个小尖峰启动自锁结构,所有芯片正常供电,电流恢复到正常状态,因为没有电流输出,自锁信号被电流测量信号复位。然后外部运放切离电源,戏剧性的一幕出现了,外部运放下MOS比上MOS断开速度更快,差了一个低速反相器时间,这个瞬态和上一种漏电流现象一样,漏出一个电流尖峰(极窄,不用单次触发观察不到)到电流采样输出,唤醒自锁,就这样往复循环。
上述电流采样和控制逻辑出问题的根本原因是我对斩波运放认识不够深刻,还试图强行给芯片加使能。

QQ截图20191230204604.png
QQ截图20191230203854.png
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QQ截图20191230203915.png
QQ截图20191230203932.png

主电路.pdf

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电路途

konglan
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初级工程师
  • 2019-12-30 20:54:26
  • 倒数6
 

QQ截图20191230203944.png
QQ截图20191230203951.png
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konglan
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初级工程师
  • 2019-12-30 21:02:36
  • 倒数5
 
在测试前,说明一下测试板。

这块测试板上有低频电子负载(恒流),高动态电子负载(1us)上升沿,还有输入输出电流采样,目测输出358采样稳定性不太好,而且采样电阻温漂比较严重。
由指标要求可知,这个电源的测试将会具有挑战性。具体包括对超低纹波的测量,产生高速变化的电流波动沿,具有可以测量波动UA电流的电流表和有数个阻值的功率负载,此外,效率的测量也是个麻烦事。其中前两项最具有挑战性,一般的示波器难以在强干扰环境下精确测量mv级信号,一般的电子负载也不可能产生1us变化沿的动态电流。
本人是学生,手头所有的设备只有一台电源、一个示波器、两个中等精度万用表。可观测性是认识事物的重要属性,有限的装备显然无法完成测试,只得自制测试环境。自制的模组包括三部分:mini电子负载、动态负载、电流检测。
图2.1中的左上方为输入电流采样,使用OPA2333零漂移运放作为采样****,具有极高的灵敏度,具有1ua和1ma的精度,可以实现对输入电流的精确测量,一次校准足矣。右上方是一个基于MOS的电子负载,可以通过电位器或外部输入电压对流入的电路进行精确控制,便于调试与电流相关的控制逻辑,不过实用时发现采样电阻温漂是个大问题。右下方为一个脉冲负载,这个负载和电子负载并联,以产生符合测试要求的混合电流波形,脉冲负载具有一个使能端。
测试负实物图如下图2.2



图中脉冲负载外接一个2.5欧负载产生1A的电流阶跃,波形测试图如下图2.3,可见电流上升沿接近1us,动态幅度刚好1A叠加在120mA电子负载的电流上,基本测试要求。下降沿的速度比上升沿略快,测试电流和电压增益比为0.1V/A
QQ截图20191230205600.png
QQ截图20191230205631.png
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konglan
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初级工程师
  • 2019-12-30 21:03:40
  • 倒数4
 

5项指标测试
A.      静态电流
空载电流为2.3ua左右,这一项预计得分23.8分
B.      轻载
输入电压和电流为11.870v、33.7ua,输出电压2.503v,负载为20k,效率计算为78.4%,预计得分14.2
C.      纹波
纹波出现时,电路切换到LT8643的CCM模式,开关频率2.6MHZ,纹波基本不可观测,接近低频噪声的幅度,总的幅度不超过3mv,此项满分
D.      动态测试
这块板子的动态性能十分优秀,最大峰值10mv左右,上下峰峰值加起来也只有15mv左右

E.       2A效率
为了优化LT8645的效率,选取了6个不同的频率点测量效率取其最优解。分别取374KHZ、388KHZ、405KHZ、418KHZ、442KHZ、483KHZ,其中在405KHZ处达到最高效率94.6%。其它各点效率如下:94%、94.4%、94.4%、93.9%、93.7%,此项得分9分
总计:约92分

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konglan
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