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讨论 ADI设计赛

基于LT8640S的高效MCU核心电源

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虫虫0702
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助理工程师
  • 2019-9-25 23:38:46
参加过许多活动,但是电源的,还是第一次参加,仔细研读比赛规则及评分规则后,感觉这坑很多,单纯拿一项指标都好实现,但是把效率,空载效率,纹波等都放在一起,的确有难度。不过经过第一轮筛选,成功入围,也就说我选的芯片不会偏离要求太多,具体得分多少,就看能力了。前天刚刚收到芯片,算是收到比较晚的了,平时工作较忙,这个点,赶紧过来发个参赛帖,希望不要落下。
以下是ADI的LT8640S,芯片4*4,比较小,QFN+EP封装,芯片内部集成MOS,BUCK工作模式,输入电压DC12V,输出电压DC2.5V,输出电流大于2A,效率大于94%,其他指标继续优化完再更新。
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世纪电源网-SUN
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高级工程师
  • 2019-9-26 09:39:40
 
感谢支持与参与!期待后面的更新哦~
虫虫0702
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助理工程师
  • 2019-12-23 22:45:29
 
2.方案介绍
一开始,考虑直接使用原厂的评估板gerber 做板,这样可以先摸清LT8640S-2(以下均简称8640)的脾气,包括各种工作模式,每个频率下的参数等信息,以便后期应该如何设计。但是快板厂竟然告诉我做不了这个工艺,无奈只能先按照官方原理图自己排版了。
图2 是为了验证芯片各项指标所做的板子。
04.png

图2
对于验证版,就不在介绍了,下面直接介绍我是如何根据各项指标选定方案的。
2.1 瞬态响应
由于之前已经充分评估过8640 芯片,该芯片有3 种工作模式,大赛题目要求瞬态响应,这就需要环路补偿和在强制连续模式下工作,选的这颗物料并没有外部补偿,因此,这个地方可能得分不高,单瞬态响应这个指标,显然8643 更具有优势,但是还是选了8640。
如图3,就是手册中这颗芯片在外部补偿和内部补偿的区别还是比较大的。
05.png 06.png



虫虫0702
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助理工程师
  • 2019-12-27 22:52:42
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2.2 满载效率
通过LTpowerCADIIv2和LTspiceXVII软件仿真,我发现输入电容在2A负载下,超过5-8uF,对其效率和其他参数已经影响不大了,电容的ESR却会对整个效率影响极大。输出电感DCR和输出电容的ESR同样会对整个效率造成影响,因此,我借助LTpowerCADIIv2软件的选型功能,选择了能满足2A电流且ESR最小的电容,电感也选择了DCR尽可能小的,最终仿真获得的最大效率是93.8%,中规中矩吧,这颗芯片最大效率实际上是在12V输入,5V2A输出上。

如图4即使使用LTpowerCADIIv2软件进行反复仿真实验的过程,顺便说一下,仿真软件非常好用,开关频率,环路,等多项参数都是自动计算的,一目了然,如果使用ADI的芯片做设计,还是非常值得推荐的。
07.png


虫虫0702
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助理工程师
  • 2019-12-27 22:54:11
  • 倒数9
 
2.3 轻载效率
大赛要求125uA负载下,效率不低于50%,经过仔细阅读手册,发现LT8640S-2的轻载效率远大于LT8643S-2的轻载效率,这就是为了兼顾瞬态响应做的取舍,这两颗芯片各有千秋,所以后来看到了论坛其他坛友使用这两颗芯片来做比赛的原因。发挥两款芯片最擅长的地方。
图5是我选择8640和8643时所参考的地方。从图中也证明了8640可以拿很高的分数,8643几乎不拿分。
08.png

2.4 输出纹波
通过仿真软件,我发现输出纹波跟输出电容的ESR关系较大,ESR越小,纹波越小,输出电容大小也会影响纹波,但是整个方案限制60uF,所以其他地方在满足要求的情况下尽可能多的将电容分配给输出电容,且选择ESR尽可能的小。

虫虫0702
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助理工程师
  • 2019-12-27 22:56:35
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2.5静态电流
设计要求要小于50uA,就这个单项指标能筛掉一大批器件。使用ADI官网上的器件筛选器,先把大于50uA的全部筛除,剩下的在筛选电压,电流等基本指标,此刻已经剩的不多了,LT86系列的,还有LTM8071,LTC33系列的,然后下载手册,查看每一项指标,只要有一项达不到的,就筛除,到最后,实际上能符合5项考核指标的也就几颗物料了,不得不承认的是,这个题目有难度,综合考量各项指标,需要参赛人在众多参数中做一个平衡点和取舍,虽然有坛友使用多颗芯片,取其优点,最终成绩应该很高,但是考虑实际应用中,很难控制成本。换句话说,选对了芯片,就算成功了一半。

2.6系统架构
经过上面对各项指标的分析,选定8640来参加此次比赛,但是,很多项目需要在不同的工作模式下才能发挥到最优,大赛要求测试过程中不允许切换工作模式,这句话显得比赛太难了,后来在交流群中交流得知,不可以手动开关的形式切换,那自动切换到底算不算呢。。。陷入沉思。单芯片方案获得最更高的分数,只能想办法了,那就需要设计额外的电路来检测负载大小,以便自动切换芯片工作的模式,以便在不同应用场景中获得极佳的性能,这种方案貌似在实际应用中也算合理。
如图6,使用LTpowerPlannerIII3.2.3软件做的系统架构图,目前方案就按照图中来做,在基本功能的基础上增加电流检测电路,具体原理图细节将持续更新。
10.png
虫虫0702
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助理工程师
  • 2019-12-27 23:01:44
  • 倒数7
 
3 设计图原理
这类DCDC外围非常简单,基本上有输入输出,环路补偿,频率设置,使能,工作模式等,而且之前按照官方评估板原理图做了一版评测,如果在瞬态响应和静态电流等指标中取最优,必须增加电流检测电路,自动切换工作模式,满足不同应用下最优的指标。
图7为原理图
图7.png
图8为BOM
图8.png

虫虫0702
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助理工程师
  • 2019-12-27 23:03:40
  • 倒数6
 
3.1负载检测电路设计
实际上整个原理图的设计,最关键的是器件选型和工作模式的选择,我使用了一颗低功耗精密运放,同样是在官网上,通过选型工具筛选出我想要的参数,LT6004,该运放输入电压1.6-16V,可以直接使用输入12V供电,超低的静态电流1uA左右,输入电流最大90pA,工作温度范围-40℃to125℃,同样满足汽车级要求。对于压摆率,因为不是高速运放,而且需要处理的信号不需要很快,所以无要求。
3.2检测电路计算
LT6004内部双运放,第一个运放做电流信号的放大,即IV转换,第二个运放做比较器,通过电流的大小,判定负载的大小。
通过第一个评估板得知,需要在0.125-1.25A测试瞬态响应,需要在2A满载下测量纹波,也就说,我需要至少检测出0.125A时的信号即可,这就比较好处理了,我把检测电路阈值定在0.8A。以下是电流检测计算方法。
V1=运放输入电压
I=输出电流
R1=检流电阻
V2=运放1脚电压
V1=I*R1
V1=0.8*0.002=0.0016
V2=V1*(1+(R7/R9))=0.0016*(1+(10000K/51K))=0.31V
运放第6脚参考电压为V3=12/((R10*R15)/(R10+R15))=0.235V
如果超过0.8A,运放第六脚输出电压为12V左右。
而如果使芯片工作在强制连续模式下,SYNC 脚应该悬空,此时测量电压是1.8-1.9V左右,那就在运放6脚输出增加电阻分压网络,即R11和R14,这个计算很简单,不需要列方法了。
以上就是整个原理图的设计,其他的地方大部分参考官方手册和仿真后的调整来进行的。后面继续更新版图设计。


虫虫0702
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助理工程师
  • 2019-12-27 23:05:04
  • 倒数5
 
4.版图设计
原理图可以影响整个功能,版图则是影响整个产品的性能,包括噪声,辐射发射,辐射抗扰度,纹波,温升,瞬态响应等等。
因为10*10CM打样便宜,所以版图尺寸限制在10*10,实现这些功能,空间非常充足。
版图设计这个地方大的注意点没多少,基本上都是小问题,而且layout工程师没有个几年的功夫,看似简单的板子,还是需要相当的功底。
首先注意的是整个功率回路走线尽可能的宽,减少走线压降,另外输出电感有高频噪声,避免与地太近,造成干扰,我将电感下方扣除赴铜。
反馈回路一定要仔细处理,远离噪声,使用赴铜包裹,否则最终纹波可能超出预期,严重者可能导致输出不稳定。
下面如图9是设计的版图,双层板、绿色盖油、过孔阻焊、板厚1.6MM,1OZ铜厚,白色字符,FR4板材,算是常规工艺吧。
14.png

虫虫0702
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助理工程师
  • 2019-12-27 23:06:59
  • 倒数4
 
5.焊接贴装
   QFN的焊接绝对是一种挑战,焊接过程就不描述了,一次焊接没有成功,后来通过补焊调整才可以,焊接温度400℃,热风*直接吹。
如图10,已经将器件焊接完成的。
13.png
虫虫0702
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助理工程师
  • 2019-12-27 23:16:32
  • 倒数3
 
6.测试调试
6.1测试仪表
6.1.png
6.2 瞬态响应
    使用电子负载和示波器测量,电子负载接入P2端子,示波器探头卡在VOUT,地夹卡在GND上,测试结果如图11
16.png 17.png


示波器开启20M,从图中可以看出,VPP为78.4mV,小于120mV。本想着可以将Vpp调整的更低,通过更改C7,但是效果并不明显,后来查阅手册,8640的数据手册(图12)的瞬态响应也要近100mV,不过输出电容,频率,输出电压都不同,但有参考价值,能拿分,就不在这个地方折腾了。
18.png

6.3满载效率
同样使用电子负载,调整为电流模式2A,通过34410万用表进行测量电流,电压,计算获得效率为
输出电压2.502V
输出电流为2A
输入电压12V
输入电流0.1198A
效率=92.7%
大于90%,能拿分,还不错,但是通过仿真获得的最优数据应该是93.8%,通过细微调整,没有得到改善,估计是器件选型问题吧。

如图13为测量过程
20.png
19.png

6.4轻载效率
轻载效率需要芯片工作在突发模式,以获得极低的输入电流。
轻载输出电压2.511V
输出电流0.125mA
输入电压12V
输入电流0.0425mA
轻载效率61.5%

这个指标有点低了,不知道是我手里的表有问题还是哪里的问题,看手册,应该是可以达到80%的,如图5所示。
08.png
6.5输出纹波
接通负载,电流1.25A,示波器卡在VOUT上,测量纹波为6mV左右,我感觉我手中的示波器测量这种小信号并不准,因为数据重复测量的一致性不是很好。这个没啥好介绍的,影响纹波的除了环路还有输出电容,需要品质非常好的电容才可以,这个指标也就调整到这个水平了。
21.png

22.png

6.6 静态电流
静态电流这个指标完全是依靠芯片自身的,也就如一开始我所说,选对了芯片,也就成功了一半。。。

这个芯片自身静态功耗大约是1.6-1.8uA,使用34410A进行测量,不过因为增加了一颗运放,导致功耗飙升到了7.6uA,运放自身大约3.5uA左右,还有1uA被电阻网络吃掉了,所以说,只能在静态电流上做让步,图15是测量数据

23.png

6.7测试结果
根据目前手里的仪表测试的结果为74分,默认电路设计和版图满分
24.png

虫虫0702
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助理工程师
  • 2019-12-27 23:23:19
  • 倒数2
 
7.问题解决
整个参赛过程中,有几个比较难处理的问题
7.1焊接问题
QFN24的芯片不好焊接,折腾了两次才搞定,好在一直从事这个行业,烙铁热风*还是经常拿的,如果有台X-RAY就好了。。。
7.2器件问题
一开始找了好多电感,DCR都非常大,直接影响效率,而换体积非常大的电感,貌似从数据上也可以,但是总感觉实际上没有这种用法,像线艺、TDK、京瓷、顺络等厂家都有体积近20*20MM大小的,峰值电流达到30-40A,这样的DCR也就几个mΩ,跟这个芯片一起用,感觉怪怪的,还好借助软件筛选了一下,发现德国伍尔特品牌有颗电感,8*8MM左右大小,4.7uHDCR也就10mΩ左右吧,中规中矩。。。然后就选用了,电容市面上常见的这些规格的,基本上都无法满足如此高的指标,好不容易找到几款基美的,说实话,好的物料,现货很少。。。
7.3测试仪表问题
uA级的测量要求对仪表的精度还是蛮高的,包括几mV级的波形,目前手里的示波器很难满足这样的测量要求,整个过程肯定有测量不准的地方,希望21电源网及赞助方使用相同的仪表评测大家的作品,那样会显得公平一些。。
8. 成品
最后晒一下作品吧,80*60MM的板子,较许多高密度产品里的板子来说,器件在整个板子上显得空旷,如下图16
13.png
虫虫0702
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助理工程师
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  • 2019-12-27 23:28:18
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9.总结
9.1赛事评价
本来不计划参赛的,本身工作就比较忙,但是后来仔细看了一下要求,还是决定参加极具挑战性的赛事。单纯拿出一项指标来,是非常好做的,如果把五项指标放在一起,犹如鱼和熊掌不可兼得,这就需要设计人员具备较高的技能,对于每一项参数的调整所带来的的其他问题都应该相当清楚,而且需要在五项指标中做出一定的让步,使整个分数达到最高,其实这是非常难的,需要大量的重复性试验才能获取,仿真虽好,可以在设计过程中指明方向,但是,路还需自己走,坑还需要自己躺。。。同时,大赛还考察了电子设计人员综合技能,包括器件选型,EDA辅助设计分析,数据手册的信息获取(没有找到中文版的,但是英文版的手册不耽误看。。。),原理图规范,版图规范,以及目前正在编写的文档。。。做文件也是研发工程师必不可少的一项工作
9.2心得体会
对于DCDC非隔离BUCK拓扑的电源还是非常熟悉的,也是目前我工作中使用最多的芯片,除了TI的就是ADI(凌力尔特)的,用的较多的是µModule模块,另外就是运放和电压基准,ADI在工业和通讯等特殊电子领域,还是很难被取代的。通过此次比赛,也让我学到了很多新知识,提高了自身技能水平,在这里也是非常感谢ADI、世健和21世纪电源网对此次大赛的支持。


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