硬件电路设计-开关电源

  • 电容选取
  • 设置输出电压
  • 电感的选取
  • PCB布局
  • 典型电路

这里以杰华特的JW5359M 开关电源为例,介绍各个部分的功能电路。

在这里插入图片描述
当EN引脚电压低于0.4V时,整个稳压器关闭,稳压器消耗的电源电流降至1μΑ以下

电容选取

1.C1和C25构成输入电容,其中C1大电容为可选,主要作用是放置于电源连接器附近,用于消除电源插拔时的尖峰电压;C25 22uf要靠近开关电源的电源输入管脚放置。C25电容选型除了耐压要满足输入电压要求外,还要选用低ESR的电容,建议用陶瓷MLCC电容。
2.C16为自举电容,用于在DCDC内部下管关闭后能够迅速将上管栅极的电压提高至上管导通,在选型时要注意C16的耐压要大于输入电压。
3.C34为输出电容,输出电容比较重要,与功率电感一起,影响着DCDC的纹波电压大小。通常选用22uF~44uF的陶瓷电容。也可通过公式计算具体的数值。
计算公式为:
在这里插入图片描述在这里插入图片描述
例如: VIN=12V,VOUT=3.3V,L=3.3uH为例。
1.设定目标输出纹波
取 ΔVOUT =50mV。
2. 计算纹波电压各分量
**电感纹波分量(与 RESR相关)😗*假设 RESR =0.05Ω(陶瓷电容典型值),则:
在这里插入图片描述电容纹波分量(与 COUT相关):在这里插入图片描述
总纹波:
在这里插入图片描述

注意:容值误差:陶瓷电容(X5R)在常温下容值误差为 ±15%,高温下可能降至标称值的 85%,需留裕量。

设置输出电压

该芯片的输出电压根据R3和R4的分压电阻进行选择。公式为:
在这里插入图片描述
反馈电压VFB=0.765V,R4=16K(文档推荐值)。则R3的计算则为:
在这里插入图片描述
例如:我想输出3.7V的电压,R3和R4则为:
R4:使用推荐值16K。
R3:R3=16k*((3.7/0.765)-1)=61.38K

注:在选取阻值时应选取高精度,确保输出电压稳定。

常用电压对应电阻表格

输出电压R4R3
0.8V16kΩ0.73kΩ
1.0V16kΩ4.9kΩ
3.3V16kΩ53kΩ
5.0V16kΩ88.6kΩ

电感的选取

1.电感值计算
电感值决定了纹波电流和效率,通常取纹波电流 ΔIL为最大负载电流的 40%。计算公式:
在这里插入图片描述
FS:开关频率,典型值 600kHz。
ΔIL:纹波电流,取 0.4×ILOAD_MAX(如最大负载电流 2A 时,ΔIL=0.8A)。
例如:以上面要求输出3.7V为例,电感应选为:
L=3.7/(60.8)(1-3.7/12)=5.3uh

在电感的选取中除了电感值外,还需注意 饱和电流(I sat ),等效直流阻抗(DCR),自谐振频率(f SR)

2.饱和电流(Isat )
也就是导致功率电感磁饱和时的最大电流。功率电感进入磁饱和后,此时电流的增大不再转换为磁通量的增加,即立刻失去了电感的特性,导致短路大电流。电感的饱和电流一定要大于DCDC输出的最大峰值电流。注意,最大峰值电流并不等于输出电流。而是等于输出电流加上最大纹波电流,最大纹波电流可以按照输出电流的50%来估算。比如DCDC的最大输出电流为1A,则最大纹波电流为0.5A,于是最大峰值电流为1.5A,因此选择功率电感的饱和电流要大于1.5A。
3.温升电流(Irms)
功率电感的饱和电流不是固定不变的,通常会随着温度的升高而饱和电流降低。通常Irms是指电感温度在40度时的饱和电流。所以温升电流(Irms)通常会小于额定的饱和电流(Isat)。所以在做电感选型时主要Irms也要高于DCDC的最大峰值电流
4.等效直流阻抗(DCR)
也就是功率电感的内阻,主要影响电感的发热,较大的内阻会使得功率电感温度更容易升高,从而降低功率电感的感值和饱和电流。通常功率电感的内阻通常与封装大小直接相关,相同感值下封装更大的电感往往内阻较小。
5.自谐振频率(fSR )
匹配要求:电感的自谐振频率应远高于开关频率。(JW5359 开关频率为 600kHz,建议fSR>3MHz),避免电感在工作频率下呈现电容特性,影响滤波效果。

PCB布局

在这里插入图片描述
1.输入电容和输出电容直接放置在输入输出管脚的近端,同时电容地管脚直接就近连接到芯片的地管脚,从而整个输入输出电流环路面积最小。
2.优先布局输入输出电容,首先将输入输出电容靠近芯片放置,再考虑其他部分的布局。
3.输入输出电容的地管脚和DCDC芯片地管脚直接的回路连接,要尽量在表层连接,最好有一定宽度的覆铜。不建议通过过孔通过其他层连接,效果较差。
4.芯片SW管脚与电感连接的走线尽量短,以减小对外的辐射。

典型电路

在这里插入图片描述

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