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【9th原创赛】DC-DC BUCK电路设计入门

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ecoren
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  • 2018-8-19 21:00:48


1  什么是BUCK电路
在电子设计中,最根本最重要的当属电源,电源不妥当,就不用谈其他的设计了。
一般电路中电源设计要占整个板卡的30%max左右。大公司有专门设计电源的岗
位,不管谁来设计,作为一个合格的硬件工程师必须懂得其中设计奥妙。

Buck有个比较直观的叫法Step down,即降压电路,例如将12V DC转换成5.0V
DC或者3.3V DC等常用电压等级。跟线性稳压器(LDO等)相比,BUCK电路最
显著的特点就是高效率。

2  BUCK电路的拓扑及其工作原理
BUCK电路的基本拓扑结构如下图。开关器件Q,储能器件L、C,续流器件D,
负载R,直流电源Ui。首先给一个最基本的计算公式:
Uo = D x Ui                ----  式1
其中Uo是输出电压,Ui是输入电压,D是占空比,D = ton / T。
图1 buck拓扑.png
图1  BUCK电路拓扑结构

式1,如此简洁美丽的公式是怎么推导的呢~~~伏秒平衡。在稳定运行的BUCK电
路中,在一个开关周期内,电感充进去的能量与放出的能量总是相等的,可用式子
UL_ON x TON = UL_OFF x TOFF进行表示。
当电感电流连续,并且Q闭合时,那么图1可等效为图2。那么根据基尔霍夫定理,
我们可以计算电感两端的电压:

UL_ON = Ui – Uo                ----  式2
图2  Q闭合后.png
图2  Q闭合后相当于一条导线

当电感电流连续,并且Q断开时,那么图1可等效为图3。电感两端的电压为:

UL_OFF= -Uo            ----  式3
图3  Q断开.png
图3  Q断开,D自然续流

根据伏秒平衡UL_ON x TON = UL_OFF x TOFF,将式2和式3带入得:
(Ui – Uo) x TON = -Uo x TOFF
由于充电和放电方向相反,取模后可得:
(Ui – Uo) x TON = Uo x TOFF
简单移项求解可得
Uo=TON/(TON+TOFF)  Ui
进一步化简得:
Uo = D x Ui
上式与式1完全一致。

上边我们只分析了电感电流连续的情况,电感电流不连续的情况在这里不做分析。

3 BUCK电路的设计
我们虽然分析了BUCK电路的拓扑及其拓扑的工作原理,但是在实际电路设计中还
是有很大的差别的。甚至可以说~~~真的用不上!推丸菌在这里的意思是:BUCK
的拓扑原理是集成在了芯片里面,芯片对外的接口基本跟BUCK拓扑无关。

选择了某公司的BUCK芯片,设计电路如图4。设计基本要求是不考虑工作效率,只
注重元器件占板面积。
参数
输入电压 12.0V
输出电压 4.33V
开关频率 1.1MHz

图4  TPS54260电路.png
图4  TPS54260电路图

计算输出电压
也许你会意识到Uo=D x Ui的公式,但在这里告诉您,该公式只适用于芯片内部拓
扑原理。实际设计中,我们直接套用DATASHEET中的公式即可。
Uo=0.8*  Ru/Rd+0.8                ----  式4
其中Ru是上分压电阻(R41),Rd是下分压电阻(R42),0.8V是芯片内部参考
电压。

Ru和Rd并不是只要满足比例关系就可以了,我们还好考虑VSENSE引脚的输入阻
抗(多数DATASHEET中不标注此参数),根据经验,一般选择小于10倍的输入阻
抗即可。

计算开关频率
我们要用异步的方案,从DATASHEET中找到开关频率计算公式,如式5。由于PCB
面积较小,所以在本设计中设计的开关频率较高,约为1.1M,开关频率高的好处是
可以减少功率电感的感值和尺寸,但有一个很大的缺点就是开关损耗大,效率低。
式5.png     ----  式5

综合考虑输入电压/输出电压/占空比/开关频率
根据拓扑原理我们知道Uo = D x Ui,当输入电压是12V,输出电压是4.33V时,其
占空比约为1/3。也就是说在一个完整周期里芯片内的功率管导通1/3,截止2/3。
又因开关频率是1.1MHz,即周期为0.9us。所以开关管导通0.3us,关闭0.6us。
图5  芯片内部延时.png
图5  芯片内部延时

RT/CLK falling edgeto PH rising edge delay的参数是60ns,设计中是0.9us,
占空比是0.3us,两个参数均大于60ns,所以本设计参数的选择是成立的。
在设计中输入电压/输出电压/开关频率都是相辅相成的,改变了一些参数后电源芯
片有可能就不能正常工作了。最重要的一个是最小占空比时间,在设计中一定要
充分考虑。

计算功率电感
BUCK电路的功率电感按公式6计算就可以了。
式6.png     ----  式6
其中KIND一般选择0.1~0.3,fsw单位为Hz。

选择功率电感着重考虑电感值和电流两个参数。电流又分为温升电流和饱和电流。

具体可以参考这个文档http://www.docin.com/p-2058379740.html

计算输出电容


续流二极管选择

DCDC测试表.jpg

4  BUCK电路的测试
在测试中,一般会对输出电压,输出电流,输出电压纹波,开关频率,负载响应,
电源响应等参数进行测试。在本设计中这里仅给出了输出电压、输出电流、输出电
压纹波和开关频率的测试。相关动态测试在这里不涉及。

图6.png     图7.png
图6  0mA CC Load                                        图7  10mA CC Load

图8.png     图9.png
图8  50mA CC Load                                  图9  100mA CC Load

图10.png     图11.png
图10  200mA CC Load           图11  500mA CC Load

图12.png     图13.png
图10  200mA CC Load           图11  500mA CC Load

图14.png     图15.png
图14  1500mA CC Load              图15  2000mA CC Load

图16.png
图16  2500mA CC Load



















ecoren
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  • 2018-8-19 21:01:39
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5  LAYOUT注意事项
①  减小高di/dt路径走线长度和环路面积,功率电感靠近PH引脚放置;
图17  高didt.png
17  di/dt路径

②  输入电容靠近VIN引脚,以提供更好的动态响应;
图18  输入电容.png
图18  输入电容

③  因为VSENSE输入阻抗很大,反馈电阻网络靠近芯片放置,减少其他信号的干扰;
图19  反馈电阻.png
19  反馈电阻

④  输出电容靠近芯片放置,减少输出寄生电阻,以便减小输出纹波;
⑤  多打地孔,注意散热;

图20是TPS54260的LAYOUT参考。
图20  LAYOUT参考.png
图20  LAYOUT参考






wangdongchun
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  • 2018-8-19 21:22:11
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非常不错的基础知识大分享
nc965
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  • 2018-8-20 08:00:38
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所述PCB尚有明显瑕疵。
ecoren
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  • 2018-8-20 12:07:31
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还请多多指正,我当修改。。。
nc965
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  • 2018-8-20 12:15:19
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ecoren
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  • 2018-8-20 19:26:50
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多谢多谢,大牛好眼力,但是最后一张图是套用的TI datasheet中的,我在第一条中有所解释:
减小高di/dt路径走线长度和环路面积,功率电感靠近PH引脚放置;
闲情偶寄
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本网技工
  • 2018-11-19 15:21:29
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小弟收到
闲情偶寄
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本网技工
  • 2018-11-19 15:21:05
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谢谢,很好

Airi
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本网技工
  • 2018-10-18 08:58:11
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BUCK电路开关管关断时的电流方向是不是反了啊~
ecoren
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  • 2018-11-22 22:38:10
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没反啊,请参考到TI LMR16020电源芯片框图
lmr16020_block.jpg

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