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原创 ADI设计赛

基于LT8640S的2.5V电源

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czfczf11
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  • 2019-12-3 11:02:45
                     2019 ADI & 世健 · 电源智造设计赛
要求:1、Vin=12V, Vout=2.5V,lout=2A;整版使用电容合计不大于60uF。
2、PCB 设计仅限于2-4层。
3、测试中,不允许切换工作模式。
个人思路解读:
1.瞬态响应。与芯片本身性能及工作模式有关,选型有两种选择,内部补偿和外部补偿,在不添加外部控制电路的情况下,外部补偿会增加额外静态电流,但是瞬态响应可以做到更好。内部补偿静态电流极低。
2.满载效率。跟芯片选型、电感损耗、开关频率、MOS内阻、电容ESR甚至PCB布局等诸多因素有关。
3.轻载效率。跟选型也有很大关系,首选静态电流低的IC,此外跟电感感量、开关频率等也有关
4.输出纹波。跟IC本身密切相关,Silent Switcher能让输出纹波在10mV以下。
5.静态电流。毋庸置疑,很依赖选型了,选型选得好,静态电流没烦恼。最后,选用了具 2.5μA 静态电流的 42V、6A 同步降压型 Silent Switcher 2同步降压型IC - LT8640S。
从规格书上看,这颗IC在效率、静态电流方面极优。

      解读规格书后画了初版原理图如下图。频率初选1MHZ,电感3.3uH(手头只有内阻18mΩ的电感,先试试吧)。系统工作模式选择 Burst Mode,能提高轻载效率。

       然后花一晚上迅速画了一个双层板,捷配做活动免费打PCB样板,小白先免费打个双层板测一测性能吧。批量添加过孔,密集恐惧症慎看,哈哈
芯片的封装,竟然是LQFN,焊盘引脚不外露,不好焊接,不过,不用慌,问题不大,可以用热风机吹上去,相信自己焊工还是有的。













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世纪电源网雪花
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超级版主
  • 2019-12-3 16:20:32
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加油加油
czfczf11
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  • 2019-12-10 11:19:29
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为何如此模糊
czfczf11
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LV8
副总工程师
最新回复
  • 2019-12-18 11:53:08
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      第一版测试情况,测试参数除了瞬态响应不佳,上下峰值有90mV左右,其他数据还可以。不过也都还有优化空间,于是乎准备画第二版,准备在各项参数上都有所提升。        首先是优化电感跟频率了,电感和开关频率直接影响效率和纹波,感值和开关频率还真不是那么容易定下来的,理论计算后还需要尝试各种组合实际测试,但是不管我怎么换,纹波噪声始终最低也只能到20mV左右,那些噪音真让人头大,都用上接地环了,还是不让人省心。
      偶然,四周的聒噪声突然寂静,没有了中央空调轰轰声,没有了装修施工的机械声,亦没有了3D打印机那吱吱的惨叫,一切犹如冬日的清晨般宁静,投足桌前,侧目而视,眼前所见,瞬间惊呆······没错,示波器上显示的纹波,7mV。我恍然大悟,这市电源,这环境,浪费了我多少无辜的时间。(说句人话:就是中央空调等一些大型设备让整个电源环境都不干净了,引入了很多噪声,即使我讲输入换成12V的锂电池,虽有改善,但示波器还是会受干扰,不过已经好很多了,最好的测试结果是在等那些设备进入休眠期,于是,我开始了我漫长的测试——等待它们休眠)。不好意思,扯了一段废话。继续
       更改过多次频率,后来放弃了,还是选择了1MHZ,或许内部补偿是为1MHZ而作的也不一定呢。那接下来还是选电感吧,加大了电感4.7uH,测试效果不错,带载2A效率还有92%以上。
       静态电流跟轻载电流,电感大点,轻载效率稍微提一点。4.7uH电感有差不多79%以上了,为了让静态电流更小,这里将反馈电阻加大了,上电阻1.5MΩ,下电阻953KΩ。
      其次是反馈电容C15,按照数据手册说明,推荐4.7pF-22pF,而在测试过程中,发现即使接22pF,瞬态峰峰值还是很高,有差不多120mV,这也就意味着瞬态响应这一项直接0分。虽然减小电感感量可以优化瞬态响应,但是带来的坏处是纹波的增加。无奈只能继续加大这个反馈电容,加大这个电容进行测试,发现在680pF后的时候优化空间比较小了,考虑到担心继续增大会引起自激等问题,最后将这个电容值选在了680pF。
      整机电容容量不允许超过60uF,还是为了纹波瞬态,尽量靠近60uF了,这里不考虑误差,还好实测容值也没有超过。修改的原理图如下图所示,输入加电感只是当时电源环境太差了,想加上去试试,后面实际测试没有焊接。
      


LT8640S原理图.pdf (112.44 KB, 下载次数: 1) BOM清单:
序号
品名
参数规格
pcs
位号
备注
1
贴片电容
2.2uF;±10%;50V;X7R;1206;-55℃~125℃
2
C1,C2
2
贴片电容
100NF; ±10%; 50V; X7R; 0603; -55℃~125℃
4
C3, C13 C16, C17
3
贴片电容
1uF; ±10%; 50V; X7R; 0603; -55℃~125℃
4
C4, C5,C11, C12
4
贴片电容
10uF; ±10%; 35V; X7R; 1206; -55℃~125℃
4
C7, C8, C9,C10
5
贴片电容
1NF;±10%;50V;X7R;0603;-55℃~125℃;
1
C14
6
贴片电容
10pF;±5%;50V;NP0;0603;-55℃~125℃;
1
C15
7
钽电容
10uF(106); ±20%; 10V; -55℃ ~ +105℃; KEMET(基美)
1
C6
8
贴片电感
SLF10165T;4.7UH;±20%;-40℃~105℃;TDK
1
L2
9
贴片电阻
1MΩ;±1%;1/10W;0603;±100ppm;-55℃~155℃;
1
R1
10
贴片电阻
1.5MΩ;±1%;1/10W;0603;±100ppm;-55℃~155℃;
1
R2
11
贴片电阻
953K;±1%;1/10W;0603;±100ppm;-55℃~155℃;
1
R3
12
贴片电阻
41.2K;±1%;1/10W;0603;±100ppm;-55℃~155℃;
1
R4
13
电源芯片
LT8640S;LQFN24;ADI
1
U1


PCB布局的话,数据手册上有给布局参考,主要就是输入和输出的大电流回路尽可能小,芯片都集成化了,所以布局方面比较简单。


      PCB布局,2层板绰绰有余,既然比赛允许设计2-4层PCB,为了让纹波更出色,设计了4层板,板层顺序为TOP-GND-POWER-BOT。反馈电阻可能的靠近IC,输出至反馈电阻的线我放在了第三层,四层板全部铺地。


兼顾优化,瞬态测试峰峰值只能改到这了,有90mV左右,也能勉强得点分。

静态电流1.4uA-3.7A之间跳变,1.4uA持续时间比较长,取平均约2.5uA



带载125uA时用万用表测试输入电流为32.4uA;

万用表实测输出电压为2.507V

实际效率=2.507*2.507/20/11.99/0.0324=80.89%
测试重载2A效率

因存在线压降,万用表实测输出电压2.496V

实际效率=2.496*2/0.45/11.99=92.52%
带载1.25A,纹波约5mV,示波器最小刻度只有10mV,把所有设置摸遍了没找到可以调节更小的,实际测试可能有点出入。


根据测试情况稍微预估一下分数


总结:瞬态响应救不动,有90mV上下峰峰值,Burst模式在无外部补偿基本改不到70以下。电路工作于Burst模式,能实现超低静态电流和轻载下较高效率,不足的是瞬态响应差,而FCM模式则轻载以及静态功耗较高,但是瞬态响应好很多,要想获得高分,还是需要兼顾两个模式之间相互切换。


       第一次参加电源网比赛,发帖也是第一次,没经验,哈哈。回顾大赛,个人的时间比较不足,经常忙于其他事,所幸还是在规定时间内完成了。在调试过程中倒是发现很多自己的不足,理论知识还是要配合实际操作啊。这波选型发现ADI很多电源IC性能都不错,在要求比较高的场合很适用。       在此感谢世纪电源网,也感谢大赛负责人有范儿,对这个大赛也是忙前忙后,有什么比赛流程不懂的都一一解答。





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