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讨论 ADI设计赛

基于LT8640S-2的电源设计

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Temo2015
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LV6
高级工程师
  • 2019-10-16 09:13:18
1. 收到芯片
序号
描述
厂家
型号
数量
备注
1
同步降压芯片,3.4V到42V输   入,6A输出,2.5uA静态电流,工作温度,-40-125,LQFN24,封装4x4mm
ADI
LT8640S-2
3
2019.12.20

微信截图_20191026201446.png

备注:原计划申请LT8636,接到通知LT8636属于新品没有现货,更换芯片为LT8640S-2.
2.方案介绍
2.1大赛设计基本要求:
输入电压12V, 输出电压2.5V,持续输出电流能力不小于2A。
整版使用电容合计容量,不得大于60uF。
PCB仅限于2-4层,不接受6层及以上PCB设计。
测试中,不允许切换工作模式。
2.2 评分标准:
微信截图_20200101081730.png

方案分析:
本次大赛,主要从6个方面评分,瞬态效应,满载效率,轻载效率,输出纹波,静态电流,电路设计。输入12V,输出2.5V 输出电流2A.通过ADIParametricSearch.xlsx 筛选,初步锁定方案:LT8636,LT8640,LT3995,LT8614,LT3976(重点筛选:静态电流,输出电流。)
微信截图_20200101084435.png
详细对比以上芯片,对比分析如下:
对比静态电流,2.5V/2A下的负载下的效率(主要参考Efficiency at 3.3Vout)。
微信截图_20200101084938.png        微信截图_20200101085723.png    微信截图_20200101085405.png   
LT3995静态电流2.7uA,3.3V/2A负载下的效率85%    LT8614静态电流2.5uA ,3.3V/2A负载下的效率92%   LT3976静态电流3.3uA ,3.3V/2A负载下的效率85.5%

微信截图_20200101085859.png 微信截图_20200101090008.png
  LT8636静态电流2.5uA ,3.3V/2A负载下的效率95%  LT8610静态电流2.5uA ,3.3V/2A负载下的效率95%
对比价格,优选LT8636(LT8636批量价格:$3.7@1000pcs,LT8640批量价格:$4.35@1000pcs ).
因主办方告知LT8636为新产品,无库存,因此使用LT8640芯片设计。

3.原理图设计

3.1 原理图介绍
参考设计基本要求,结合LT8640 典型电路,如下图所示,
原理图设计要考虑:SYNC/MODE 可以设计不同的模式。
1).Burst Mode eperation     【BURST】
2).Forced Continuout mode 【FCM】
3).Spread spectrum mode   

微信截图_20200101092650.png

3.2 原理图
详细的原理图设计如下:
微信截图_20191020212244.png
原理图设计注意点,整个设计电容不可以超过60uF,SYNC/MODE 可以配置不同模式,
BIAS 可以配置,关键信号预留测试点,特别是输入和输出端。便于测试。
4.PCB设计
4.1 PCB设计思路
参考官网DC2407A-3设计方案,使用软件Cadence 16.6 设计,结合datasheet推荐设计方案。
微信截图_20200101093732.png           微信截图_20200101094235.png
设计难点在于BUCK电路的布线设计,参考《精通开关电源设计》第6章,电路板的布线。布线的重点在于dI/dt的走线,要尽量保证输入回路和输出回路尽量小
微信截图_20200101094817.png
如上图所示:回路1,回路2,为输入回路,回路3为输出回路,布线时要保证上图3个回路尽量小。同时需要关注电压反馈回路,R4-R5走线要远离干扰。
4.2 PCB设计图
PCB设计图如下,增加ADI和21世纪电源网LOGO,感谢网友提供的LOGO,谢谢
微信截图_20200101095247.png
4.3 PCB打样+物料采购
微信截图_20191026201607.png
微信截图_20191026201711.png

5. PCBA焊接
5.1 PCBA 焊接图
微信截图_20200101100242.png
5.2  焊接装配时注意事项
  • 芯片和电感焊接时建议使用低温焊锡高焊接,因为整体铺铜区域面积较大,低温焊锡膏型号:GY618B-B(Sn62.8Pb36.8Ag0.4 ) 焊接温度:280度
  • 焊接时注意钽电容的机型
  • 装配置注意塑料隔离柱的卡扣位置。
6.测试及调试
  6.1 测试输入端和输出端对比阻抗,确保PCB焊接没有正常  6.2 给测试板上电,建议使用稳压源供电,设置保护电流0.5A。
  6.3 根据测试标准测试结果如下:
微信截图_20200101102004.png
6.4测试过程中遇到的问题
  • 效率低
   分析:BUCK电路效率低的主要原因在于开关频率和电感的选取有关
微信截图_20200101104050.png 微信截图_20200101104009.png 微信截图_20200101104833.png
从上图可以看出,电感的感值,开关频率和电感的内阻对效率的影响比较大,因此电路的RT电阻选取和电感的感值和内阻的选取就显得十分重要。
微信截图_20200101110029.png 微信截图_20200101105401.png 选入RT=20Kohm 对应的频率为1.8MHz,最小电感值为1uH,最小电流大于2*1.25=2.5A,考虑纹波和轻载效率特性,电感的感值选择4.7uH
电感的选取根据E络盟的筛选工具(主要筛序内阻,价格),初步选定上图所示6款电感,考虑价格因素, 最终确定需求序号:1,2,3 3款电感
测试结构来看,使用WE 7443551470电感和TDK CLF10060NIT-4R7N-D的对应的满载效率分别为:93.52%和93%,因此选取:电感的最终型号为WE 7443551470  Tip:提交效率的另外方法, 增大反馈电阻值。
   2.纹波偏大
微信截图_20200101113905.png    微信截图_20200101120759.png 最开始设计时,按照芯片手册推荐的C6值为10pF,测试满载下的纹波为224mV,远超正常值,通过调试,更改C6的值,2pF,此时输出的纹波,可以控制到10.8mV,如上图右图所示
C6的值要匹配真个反馈网络。
  3 .静态电流大
最开始测试时静态电流大,最后通过阅读手册发现,在不同模式下,芯片的静态电流差异是非常大的,一下3种模式,最终采用BURST模式,静态的功耗1.66uA
1).Burst Mode eperation     【BURST】
2).Forced Continuout mode 【FCM】
3).Spread spectrum mode  
  
7. 作品提交
微信截图_20200101121315.png 微信截图_20200101121300.png

经过一个多余的不断调试和优化,完成最终作品,快递寄出。
8.最后总结
首先感谢21世纪电源网和ADI主办方,让我有这次参赛机会,也是第一次这么认真的去调试每一个参数,验证每一个器件的选型,之前工作中很多调试,都是可以使用,纹波,发热OK就可以。
这次比赛收获满满,对电源的设计有了很大的提高,再次感谢ADI主办方和世纪电源网的平台。



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微信截图_20191026203434.png

LT8640S封装.rar

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PCB封装

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