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原创 ADI设计赛

基于LTC3388和LT8643的2.5V2A双模电源

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CliftHeart
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LV3
助理工程师
  • 2019-9-24 18:50:35
    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。
    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。直接全范围监测输出电流就成为我能想到的唯一出路,ADI的超低功耗斩波运放可利用PCB输出铜迹的方阻实现mA级的电流监测,并可通过低电压、低静态电流和无采样电阻的特性实现全工作电流段的相对低功耗。

确定题目概况需要选择符合赛题的芯片和板子,并辅以相应的自动控制逻辑。具体的性能参数又可以分为5个部分。赛题要求如下图.

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世纪电源网-SUN
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高级工程师
  • 2019-9-25 09:14:00
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感谢楼主的支持与参与,期待后面的更新敖~
Ricardo_hacker
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LV2
本网技师
  • 2019-11-5 15:46:31
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咋个双模法?
CliftHeart
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LV3
助理工程师
  • 2019-12-31 23:10:42
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本方案的****为ADI的LT8643s和LTC3388-1。其中LT8643s集成MOS开关可以在高频下达到较高效率,支持轻载的高效率的Burst模式、高速响应的CCM模式,这款芯片还难能可贵的支持可加速的外部补偿。LT8643S在超低负载下的表现不太好,需要LTC3388-1实现低负载高效率, LT3388-1属于临界电流工作模式,不支持倒灌的特性有利于实现交错并联,原理框图如下图1.2。这两款芯片作为功率处理单元工作在3个模式,状态如下:
一、只有LTC3388-1从无负载工作到40mA负载,LT8643休眠。在遭遇大的突变负载时,考虑到LTC3388的驱动能力实在太弱,而控制逻辑带宽不够,造成输出逻辑还没有使能LT8643就被掉电,电路陷入彻底的掉电中和输出短路。需要从从LTC3388的短路中提取出一个启动信号供给LT8643的启动逻辑序列。
二、LT8643S启动工作在CCM模式,输出电压比LTC3388-1高出30mV,使其进入休眠状态,此模式工作到1.5A左右的负载,以实现快速响应和低纹波。
三、LT8643S继续CCM模式并启动降频,工作在大于1.5A的条件下,实现2A下的较高效率。降频后大概率会出现不稳定,为摆脱最低频率的桎梏,在启动降频的同时产生一路反相信号驱动连接低阶补偿回路,单独对低频进行补偿。

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CliftHeart
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LV3
助理工程师
  • 2019-12-31 23:12:11
  • 倒数3
 
在设计电路之前必须想清楚已知目标对象如何调试,轻载和空载需要一个唤醒电路,承接休眠和正常工作之间的空白,经过试验和仿真确定这种电路结构确实存在。无论是LTC3388的固定导通电流工作模式,还是LT86**的Brust模式,本质上都是一样的,都是控制器输出一个电流脉冲,然后陷入休眠,直到下一次输出电压低于门限。换个角度理解,输出电流就是由这些脉冲电流积分构成,如果有一个电路可以帮我们数脉冲个数,通过脉冲的密度决定要不要唤醒电路中沉睡的控制回路。
这个控制电流可以简单地通过一个线圈耦合到目标电感上,然后对其进行整流得到一个控制电压,这个电压就是控制部分的唤醒信号。对于LTC3388的应用来说,这个信号可以通过控制参数实现PG脚的功能,用于直接唤醒因输出负载过大控制逻辑掉电不能启动的主公率回路,并提供一个扳机一样的触发信号,在主功率回路将输出电压拉回正常值时,接替为正常工作的逻辑进程。结构图如图2.2,通过修改线圈匝数和阻容的值可以获得合适的唤醒信号。
解决轻载问题后,另外一大难题就是效率的优化,轻载和重载效率通过耦合BAIS电源可以获得部分。轻载效率完全取决于芯片结构,没啥发挥的余地,但是重载效率可以发挥的地方就多多了,重载效率与电感内阻、磁芯材质、开关频率等都有密切的关联性。功率电感最后选用铁硅铝磁芯加双组份多芯线绕制到合适的电感量,剩下最关键的就是重载开关频率的选择。首先考虑一下输出损耗的构成,阻性和磁性损耗的变化量和f的平方成反比,开关损耗和频率f成正比,总的损耗时一个增函数和减函数的和,还且是下凹的结构,所以电路器件值固定后必然有一个与频率相关的效率最优解。

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CliftHeart
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LV3
助理工程师
  • 2019-12-31 23:14:56
  • 倒数2
 
[url=]LT8643+LTC3388-1.pdf[/url]
左上为功率级LT8643的控制外设,坐下时LTC3388和辅助的唤醒结构,剩下的电路包括一个铜迹电流采样电路和两个和上文描述一致的控制逻辑。

[url=]8643-3388t.pdf[/url][url=]8643-3388b.pdf[/url]


官方两次发错货,LTC3388-1也不好购买,只能接受用LTC3588替代LTC3388,所以需要挖板跳线,维持其正常工作。图中的滑稽头下面有一个转态指示灯,在第二种模式下这个滑稽头会亮起来,第三模式这个滑稽头会熄灭以提升一点重载效率,这个设计将提醒我们电路工作在哪个模式。

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LT8643+LTC3388-1.pdf

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8643-3388t.pdf

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CliftHeart
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LV3
助理工程师
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  • 2019-12-31 23:19:44
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主要测试开始提到的5项指标
A.      空载电流
空载电流使用ua档测出来只有2.13ua,这一项预计得分23.9分
B.      轻载效率
输入电压、电流为:11.87v/32.5ua;输出电压、电流:2.523(20k),计算出效率82.6%,预计得分16.3分
C.      纹波
纹波测试在1.2A附近,工作在CCM模式,开关频率为2.6MHZ,纹波基本不变,幅度约为2mv,有一点低频扰动,如下图5.2。这一项得分25
D.      动态响应
动态响应开启脉冲负载,测试结果为,上冲为19mv,下冲为14mv,预计可以得到满分,测试图如下图5.3.
E.      2A效率测试
经过对比各种不同的低频频率,发现效率比较高的值在460khz的开关频率附近,测得效率值93.3%。预计得分6.6分
计算出总分接近92分,算是相对满意的分数。低频下的开关波形和纹波非常稳定,本方案使用小电流高效芯片LTC3388(LTC3588)实现了优良的空载和轻载效率,之后切换成LT8643,并且启用了切补偿回路和开关频率等操作将这两个芯片的优点结合起来,在高速和高效率上也获得较好的性能,总体拼凑出90分左右的成绩,碍于篇幅问题,调试细节大多被省略掉了,主要是叙述思路。感谢给机会让我参加这次比赛。

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