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技術(shù)專題
48V至3.3V穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)項(xiàng)目
我計(jì)劃在48V電源上運(yùn)行照明面板，這使我可以大幅度降低對(duì)微控制器供電的3.3VI需求。我需要一個(gè)具有寬輸入電壓范圍的降壓穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器可以在非常低的占空比下運(yùn)行。我需要低占空比，因?yàn)殡娏飨臅?huì)很小。話雖這么說(shuō)，一些穩(wěn)壓器不太喜歡，或者只是不允許輸入到輸出電壓有如此大的差距。在尋找穩(wěn)壓器之前，我需要弄清楚ESP32的功耗是多少。其中包含各種州的電流消耗表，這為我提供了一個(gè)很好的基準(zhǔn)。那里的表建議正常運(yùn)行電流約為20-50mA，全速傳輸數(shù)據(jù)時(shí)建議高達(dá)250mA。
由于空閑狀態(tài)下的大壓降和低電流消耗，我不確定電源輸出的穩(wěn)定性如何，因此我將調(diào)節(jié)電源至4.0V，而不是直接降至3.3V。這個(gè)較高的電壓將使我能夠使用低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）獲得最終的3.3V。通過(guò)在開關(guān)電源之后使用線性穩(wěn)壓器，我可以獲得非常穩(wěn)定的低噪聲輸出，這將使ESP32中的無(wú)線電保持愉快狀態(tài)，并使所有設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行。
決定使用LDO并知道需要提供約250mA電流后，我正在尋找一種單片（完全集成）穩(wěn)壓器IC，該器件可以在30-250mA的電流下從43-53V輸入提供4.0V電壓。我決定采用3x3mm DFN封裝的Analog Devices LT8619。3-60V的非常寬的輸入范圍，尤其是30ns的“快速最小接通時(shí)間”，吸引了我。它也是一個(gè)相當(dāng)?shù)偷脑肼?/span>LDO，對(duì)于處理RF或音頻應(yīng)用的任何事物都是有利的。
電源設(shè)計(jì)
電源設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)的過(guò)程。如果更改一個(gè)組件值或操作條件，則需要重新計(jì)算所有其他值和條件，以確保所做的選擇仍然有效。對(duì)我而言，這是選擇調(diào)節(jié)器，然后設(shè)計(jì)所需時(shí)間最多的原理圖的方面。
開關(guān)頻率
盡管穩(wěn)壓器IC是高效率部件，但我只是不太期望在將要利用的低電流消耗下提高效率。因此，選擇良好的開關(guān)頻率尤為重要。較高的頻率往往會(huì)為您提供更小的組件，但是，我需要了解具有占空比的最小導(dǎo)通時(shí)間。較低的頻率將提供較高的效率和較大的輸入電壓范圍，但以較大值的元件為代價(jià)。經(jīng)過(guò)多次計(jì)算之后，我將以最低頻率300kHz運(yùn)行穩(wěn)壓器。
我最初計(jì)算的設(shè)計(jì)約為1250kHz，但是在完成布局并仔細(xì)查看所有公式之后，我意識(shí)到穩(wěn)壓器永遠(yuǎn)不會(huì)在該頻率下進(jìn)入強(qiáng)制連續(xù)模式。即使在300kHz時(shí)，它也可能沒(méi)有，但至少有機(jī)會(huì)以最低頻率進(jìn)入更有效的運(yùn)行模式。
在300kHz時(shí)，我的占空比應(yīng)為8.35％，最小導(dǎo)通時(shí)間為257nS。在250mA的滿負(fù)載下，效率將高達(dá)85％，但是在50mA的負(fù)載下，效率下降到56％，這相當(dāng)令人沮喪。從絕對(duì)值來(lái)看，損耗實(shí)際上只有160mW，很小，但是由于涉及的功率如此之小，它所占的比重很大。與以前的單片LED驅(qū)動(dòng)器 IC項(xiàng)目不同，在這個(gè)項(xiàng)目中溫度對(duì)我來(lái)說(shuō)不是問(wèn)題，因?yàn)榧词剐嗜绱酥停乙蚕Ｍ?/span>DFN封裝的溫度只會(huì)上升6.5°C（43° C / Wθja。）
電感選擇
既然已經(jīng)確定了開關(guān)頻率，就可以為電源選擇一個(gè)電感器。我計(jì)算出，在我們的300kHz開關(guān)頻率下，最佳電感約為25.52uH，在低成本封裝中，最接近我的選擇是22uH和27uH。
最初，我擔(dān)心將適合最初計(jì)劃的1258kHz頻率的低DCR電感器更改為具有相似占位面積但電阻更高的電感器。我覺得130毫歐的電阻應(yīng)該可以，因?yàn)槲覜](méi)有通過(guò)它。數(shù)據(jù)表證實(shí)了這一點(diǎn)。雖然建議的電阻為40毫歐左右，但數(shù)據(jù)表卻指出，以100毫歐為代價(jià)是一個(gè)不錯(cuò)的折衷選擇，但會(huì)犧牲效率。盡管這樣做可能還不錯(cuò)，但我不愿意為了節(jié)省一些重新設(shè)計(jì)的時(shí)間而在工程設(shè)計(jì)上做出取舍。如果較小的電感器便宜得多，或者具有其他優(yōu)勢(shì)，我可能會(huì)堅(jiān)持使用，但是我唯一值得注意的優(yōu)勢(shì)就是節(jié)省了一些精力。因此，我們將在本文后面介紹兩種設(shè)計(jì)。
反饋電容
穩(wěn)壓器使用分壓器進(jìn)行反饋，就像其他穩(wěn)壓器一樣。但是，考慮到電壓差和負(fù)載較小，我認(rèn)為模擬反饋環(huán)路是一個(gè)好主意。在分壓器的上臂上沒(méi)有電容器時(shí)，相位裕度低于絕對(duì)最小額定值30度。通過(guò)在分壓器頂部電阻上添加一個(gè)3300pF電容器，我能夠使相位裕量提高到約52度，這高于建議的最低45度。這大大改善了負(fù)載瞬態(tài)曲線。
不帶C7的負(fù)載瞬變。右：用C7加載瞬態(tài)
輸入過(guò)濾器
我在其他一些項(xiàng)目中提到了對(duì)開關(guān)電源的輸入進(jìn)行濾波的重要性。通常，我們會(huì)花很多精力對(duì)輸出進(jìn)行濾波，以確保我們幾乎沒(méi)有EMI和來(lái)自下游電源的紋波，從而減少了電路問(wèn)題。當(dāng)您進(jìn)行合規(guī)性測(cè)試時(shí)，這種對(duì)下游過(guò)濾和輸入過(guò)濾的疏忽的關(guān)注可能會(huì)再次吸引您。
上面是開關(guān)電源輸入端的傳導(dǎo)EMI的仿真。紅線是CISPR25限制，如果要通過(guò)汽車用途認(rèn)證，則需要遵守這些限制。該設(shè)計(jì)并非旨在用于汽車用途，但這是一個(gè)易于使用的示例。灰色混亂是沒(méi)有濾波器的傳導(dǎo)EMI。它顯然嚴(yán)重超出了限制。您可能只需要在左下角和右下角劃出的藍(lán)色走線就是帶有基本PI濾波器的傳導(dǎo)EMI。
VIN和VILT之間的簡(jiǎn)單PI濾波器
這種簡(jiǎn)單，低成本的濾波器在106.16MHz時(shí)提供超過(guò)50dBμV的裕量，而不是失敗時(shí)超過(guò)20dBμV。上圖中的C3和C4是調(diào)節(jié)器的現(xiàn)有輸入電容，僅在設(shè)計(jì)中添加了C1 / C2和L1。
電磁兼容性不是產(chǎn)品的可選部分，它是強(qiáng)制性要求，因此在設(shè)計(jì)任何東西時(shí)都必須放在您的首位。您切換的電流越多，您就需要更多地關(guān)注傳導(dǎo)和輻射發(fā)射的潛在來(lái)源。
線性穩(wěn)壓器
正如我在本文開頭提到的那樣，我想在開關(guān)模式電源的最終輸出階段使用線性穩(wěn)壓器。這是由于以下事實(shí)：ESP32中的無(wú)線電需要具有清潔電源以實(shí)現(xiàn)最佳性能，并且提供清潔電源的最佳方法是通過(guò)線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器將提供來(lái)自開關(guān)模式穩(wěn)壓器的最終電源清理功能，并且壓降只有4V至3.3V，將產(chǎn)生很少的熱量。
使用Diodes Inc AP2112K的低壓差線性穩(wěn)壓器
我為此設(shè)計(jì)選擇了一個(gè)相對(duì)通用的Diodes Inc AP2112K穩(wěn)壓器，SOT-23-5封裝緊湊，但足夠大，可以承受該項(xiàng)目的電流/熱量。我在穩(wěn)壓器中尋找的主要規(guī)格是壓差電壓。在輸入和輸出之間具有0.7V的最大可接受壓差電壓，這排除了很多選擇。AP211K的壓差電壓為0.4V，符合我的要求。此外，它非常便宜，總是很好。
線性穩(wěn)壓器在支撐組件方面幾乎不需要。電容為1μF時(shí)，輸出將穩(wěn)定。我的輸入端也有1μF的電容，主要是為了在穩(wěn)壓器附近安裝一個(gè)去耦電容。開關(guān)電源上的大量輸出電容將超過(guò)任何輸入電容要求。
在我的實(shí)現(xiàn)中（將使用此穩(wěn)壓器），ESP32將在模塊旁邊具有它自己的大容量電容和去耦電容器，因此盡管更大的大容量電容對(duì)于設(shè)計(jì)可能是有利的，但這超出了本項(xiàng)目的范圍。對(duì)于該設(shè)計(jì)，具有足夠的電容來(lái)確保穩(wěn)壓器的穩(wěn)定輸出就足夠了。
成品示意圖
原理圖的其余部分相對(duì)簡(jiǎn)單。我們?cè)谳敵錾嫌腥ヱ铍娙萜鳎源_保下游幾乎沒(méi)有紋波，欠壓鎖定分壓器以及用于視覺反饋調(diào)節(jié)器工作狀態(tài)的LED。LED還在開關(guān)模式穩(wěn)壓器上增加了一點(diǎn)額外負(fù)載，這將略微提高其工作效率。
初始電路板設(shè)計(jì)
如前所述，我本來(lái)是用一塊6mm的方形電感設(shè)計(jì)該板的，該電感非常適合較高的開關(guān)頻率。
最初設(shè)計(jì)的帶有6mm方電感的電路板
上圖中的PCB在布線之后