板级电源究竟该怎么选型芯片?(实战篇)
时间:2022-10-13 18:00:00
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写在前面
人们在设计板级电源时往往会有一种惯性思维:
或者选择你用过的电源芯片来建造电路;
要么直接选择公司或实验室中的一些现有模块;
但是你选择的电源器件很可能不符合你的使用场景,会造成很多问题。
经典的不一定是最好的,经典也有过时的时候!
当然,板级电源的设计是一个大项目,很难一下子完成。因此,这一次,我们只简要介绍了初步设计电源时常用的四种板级电源。
REF电压基准源
大多数人在设计电压基准时会下意识地忽略它,认为只要是电源,就可以作为电压基准使用REF。
先说说吧为什么会使用电压基准REF?
必须提到这一点信号链路的概念:

信号链路中最重要的环节ADC、DAC所有这些都需要电压基准,这也是我们常说的参考电压。
你可以如此简单地理解,信号链路就像嵌入式系统的五种感觉(视觉嗅觉、听觉和听觉……),接受来自环境或自然界的各种信号,但自然界的许多信号都是模拟量,但我们的CPU只能识别数字信号,那怎么办?
不要害怕,我们可以通过ADC将模拟信号转换为数字信号。
转换过程需要参考电压REF的存在。
因此,我们对这个电压基准有很高的要求:精确、稳定、可靠、低噪声。
分类
并联型:使用二极管或稳压管。

串联:使用独特的芯片,给它一个电压,它给你一个稳定的参考电压输出。

那么我们在设计这些参数基准时需要注意哪些参数指标呢?
低噪声
先提一个问题:为什么精度高?ADC不能达到预期的采样位数?
无论是芯片内置还是插件ADC采样,你在数据手册中非常准确。
为什么?很大一部分原因来自参考基准电压的噪声。

例如,当基准电压为3时,有一个24位采样芯片.3V最小分度如下图所示:

如果我在这个时候选择了一个REF芯片3325,其噪声参数如上图右侧所示。
2.5V的参考输出,1mA输出电流(因为是参考电压,考电压,只要输出电流不太大)μV的噪声。
显然,撑死你这次采样精度只能到16位。
初始电压精度/温度稳定性/长期漂移
这三个参数我放在一起说
在讲之前,大家可以去下载一下这个说明手册:(放心中文的,我检查过了)
https://www.semiee.com/2aa13a52-d1ea-4634-9238-ebb16b16c99b.html

打开之后,看第一页就行:

高准确度决定初始电压精度;
低漂移决定温度稳定性;
长期漂移指的是时间引起的电压变化。
静态电流
静态电流其实对于采样电路来说,越小越好,因为一个外置设备,可能是想要正常工作一两年的,想要减少功耗,当然是静态电流越小越好。

小结
综上,大家在选取电压基准源的时候,要按照以下要求:
- 首先,要明确你的ADC采样需要多少的精度以及最小分度;
- 考虑你的工作环境、温度稳定性去算这个误差,保证在你可以承受的范围之内
- 剩下的只要噪声、初始精度和稳定性能达到要求就行
LDO
LDO可以说是入门电源设计最简单的一种电路了,但简单并不意味着没有风险。
风险一:芯片的温升
输出电流能力、芯片最小压差、实际工况压差、封装热阻都是影响芯片温升的相关参数。

具体可以参考我的这篇笔记:[低压差线性稳压器LDO](https://www.yuque.com/docs/share/0362d18d-a27f-42b6-9ada-f0c5c1351f5c?# 《线性稳压器LDO》)
风险二:瞬态响应
其实这应该说是LDO芯片的一个参数,或者说收据手册里面的一张图。

Transient Response大家可以留意一下,一些国产1117芯片的数据手册,很少有厂家敢把这个测试记录放上去。
风险三:功耗
提到功耗,就不得不说静态电流。下面是四种1117芯片的对比图:

当然这个和电压基准源不一样,静态电流不是说越小越好,因为要考虑到后面所接负载的驱动电流,所以要综合考量。
Buck/Boost
三个类型的DC/DC开关电源对比:

区别一:看电感值
1的电感值是47μH,而2的只需要2.2μH
同样的电流,我的电感值只有你的十分之一,体积可以大大的减小;
其次电感值越大,意味着电流要绕很多圈数,造成很大的铜损。
区别二:看输出电容
2、3明显远小于1的电容值。
区别三:看占板面积
差别更大。2、3所占空间非常小。
区别四:有无外置的续流二极管
现在大多新的DC/DC外围开关电路,都不在需要二极管了,而是采用芯片内置的MOS管来代替,我们叫这种方式为同步整流。
以前那种老方式,需要外部二极管的,我们叫非同步整流。

一些平时不注意的参数
开关频率与转换效率
这两个参数是一对需要平衡的冤家。

我们先来说说,为什么会有开关频率与转换效率这两个指标,也就是说这两个指标有啥好处或者容易被什么影响?
频率可调:通过外部电路的阻容值搭配,可以实现频率可调的目的,以获得下面的好处。
频率越高,开关损耗越大,占据主导地位。频率低了,电感和容值都会增加。

纹波及EMI
以前老是说纹波如何如何,但从来没有去解释过纹波是怎么来的,所以这里重点介绍一下。
下图是一个非常典型的Buck电路,这类电路的基本原理就是:开关管的开关与储能电感能量的释放。

在上管打开时,电流走的是蓝色的路线,通过电感和负载形成一个环路。
当上管关闭,下管打开时,因为电感的电流是不能突变的,所以会电流走绿色的线条。

这里的下管就类似于以前续流二极管所起的作用,是电感L释放自己能量的通路。
那么大家有没有想过为什么现在用MOS管取代以前的续流二极管了呢?
因为二极管的压差很大,而MOS管续流内阻很低,所以说替换之后,效率提高了很多。
而我们的寄生电感,也就是图里面的Lparasitic,可就没那么好运了。
寄生电感来源:PCB走线、芯片内部bond线、电容的寄生电感、MOSFET的内部走线
有着很高的 di/dt,Hot Loop 就是红色的那个环路。这个值越大,对EMI和噪声的影响也越大。
怎么解决纹波和EMI这个问题?
设计一:给芯片两个Vin,两个电容,形成两个相反的电流环,使产生的磁力线相互抵消。

设计二:改进封装,来降低寄生电感。

Buck 最大占空比

Boost 输出隔离

最近我整理一下个人笔记,建了一个库,需要的同学可以关注一下~https://www.yuque.com/aiyanjiudexiaohutongxue/pt7221
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