06电源设计：电源架构介绍、LDO介绍、LDO与DCDC、设计实例分析、案例分析

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06电源设计：电源架构介绍、LDO介绍、LDO与DCDC、设计实例分析、案例分析

2024-07-10 03:12| 来源: 网络整理| 查看: 265

电源架构介绍部分一、单板电源架构介绍-集中式与分布式 1.1集中式

在下图中，左边为集中式，直接所有电源都通过 48V 独立转换出来。

缺点：每个需要的电源都要采用一个 DCDC 模块，成本比较高，PCB面积也大，在高速板的设计中不采用集中式。

1.2分布式

在下图中，右边为分布式，采用两级转换。

第一级隔离模块

描述：提供输入电源到单板中间电源的转化，转出来有少部分可以供电直接用。功能：提供中间电源和单板隔离的作用，因此允许较大的纹波和噪声。

第二级非隔离芯片：采用非隔离式的如DCDC、LDO转化成最终使用电平。其中中间电源也不止一个值。

1.3比较

分布式相比较集中式，只需要一个隔离模块，可以有效的节约成本和 PCB 面积，但是效率比一级转换效率要低一点点。

二、单板电源介绍 2.1单板电源转换示意图（分布式）

2.2上电时序严格要求

注意其实除了时序设计，其中的功耗设计等都是需要注意的。

2.3具体实现上电时序的办法 2.3.1软启动

（1）描述

SS脚的软启动，进行延时启动。软启动为同时使能芯片，但是是通过调整 SS 脚外部的自举电容来控制启动时间。容值越大斜率越小，启动越慢。

（2）缺点

对温湿度敏感在左边图形中，要求 V1 达到稳定电压后一段时间，V2 才上升到稳定电压。但是通过电容大小的这种控制方法，很有可能存在 V1 还没有稳定时，或者刚到稳定时，V2 的电压就已经起来到中间某电压了（虽然可能不是到达稳定值），这中间的某电压也可能导致 V2 供电的部分模块已经开始工作、输出了。因为电容只那能控制上升的斜率。 2.3.2硬启动

硬启动为控制使能脚从而控制芯片的工作与否，硬启动需要控制信号，延时时间较为固定。

在下图右边的例子中可以将 V1 上电完成后，某输出作为 V2 的分时使能芯片(EN 脚)。

这就避免了上面软启动的缺点。

LDO介绍部分一、LDO简介 1.1工作原理

LDO 的结构是一个微型的片上系统，它由电流主通道的、具有极低在线导通电阻 RDS(ON) 的MOSFET、肖特基二极管、取样电阻、分压电阻、过流保护、过温保护、精密基准源、差分放大器、延迟器、POK MOSFET 等专用晶体管电路在一个芯片上集成而成的。

LDO 的工作原理是通过负反馈调整输出电流使输出电压保持不变。

即 Voltage Control 获取 Vref 的电压跟内部参考电压比较，根据比较结果控制电流源，即调整 RDS 的大小。

LDO 是一个步降型的 DC/DC 转换器因此 Vin >Vout。

1.2 LDO的构成

在下图的结构中，电容 $C_{BP}$ 是为了给输入的基准电压信号提供交流信号部分泄放回路。

这个过程也叫：过滤、耦合。

1.3 LDO的符号

常用的 LDO 中，以3、4、5 Pin为多。

封装则种类繁多，从一毫米平方的大小，到 TO-220 封装都有，主要取决于 LDO 的输出功率及器件本身的功耗。

1.4 LDO Pin 脚及相关功能 INPUT 电源输入端OUTPUT 电源输出端GND 接地端EN 使能端，以开关LDOBP 旁路电容端。以降低噪声，提高 LDO 的 PSRRFP ADJ LDO反馈取样端 1.5 LDO常用参数简介

（1） $V_{IN}$ ：Input Voltage

（2） $V_{OUT}$ ：Output Voltage

（3）Output Voltage Accuracy

（4） $I_{MAX}$ ：Maximum Output Current

（5） $L_{LIM}$ ：Current Limit

（6） $I_{q}$ ：Ground Pin Current

（7） $V_{dif}$ ：Dropout Voltage 电压差，压差越大效率越小。

（8） $\Delta V_{LNR}$ ：Line Regulation

（9） $\Delta V_{LDR}$ ：Load Regulation

（10） $e_{n}$ ：Output Voltage Noise

（11）PSRR：Power Supply Rejection Ratio

（12） $I_{Q\left ( SHDN \right )}$ ：Shutdown Supply Current

二、LDO应用相关 2.1周边器件的选择周边器件有： $C_{in}$ ， $C_{out }$ ， $C_{BP}$ ， $C_{F}$ ， $R_{f}$ 电容的选择:数值大小影响做噪和响应速度，ESR（电容串联等效电阻，越小纹波越小）影响电源系统的稳定性电阻的选择:数值大小影响输出电压的准确性

2.2布线对性能的影响

下图原理图中虚线是电流的回流路径。在布线中要注意一下几点：

（1）一点接地

在原理图（上）中，电容分别接地，还经过了电阻，滤波效果不是最佳；

在原理图（下）中，电容全部直接一点接入地下，滤波效果最佳。

这就是单点接地，教育完成了闭环。

（2）去耦支路，尽可能短。

前后两头都尽量的短。从芯片出来尽量短，回流到地也尽量短。

（3）大电流线，尽可能短

（4）做好散热设计

原理图

下图是 PCB 示意图，较好的LDO PCB设计实例---1点接地。

图1的PCB布线较好，图2的较差。

PCB 2.3电容的选择

（1）典型 LDO 均需增加外部输入和输出电容器。

（2）部分 LDO 尚需 Reference-Noise Bypass 电容及补偿电容。

（3）常选用：

陶瓷电容优点:低价，低ESR，小尺寸; 不足:失效模式为短路。铝电解优点:可自愈，低价; 不足:体积大，老化率高。钽电容优点:体积小，等效并联电阻高; 不足:自燃，有极性。薄膜电容,宜作补偿电容用优点:温度稳定性好; 不足:较贵，体积大。 2.4外部电路对LDO工作的影响

（1）输入端

电源内阻不宜过大（压降）

引线不宜过长过细

（2）输出端

不适当的负载(如大电容、过大负载、非线性负载等)

不适当的连接(如并联输出)

（3）BP端

根据电路需求选择合适的 $C_{BP}$ 值

2.5案例

SOT23封装的 LDO 的实际电路如下图所示。图中， $V_{in}$ = 5V ， $V_{out}$ =1.8V

故可知：

热功率 $P_{pack}=\left ( V_{in}-V_{out} \right )*I_{out}$

$= \left ( V_{in}-V_{out} \right )*V_{out}/R _{o}$

$= \left ( 5-1.8 \right )*1.8/25.5$

$= 0.226W$

2.6线性电源和开关电源的优缺点 2.6.1 LDO的特点

（1）优点

非常低的输入输出电压差非常小的内部损耗很小的温度漂移很高的输出电压稳定度很好的负载和线性调整率很宽的工作温度范围较宽的输入电压范围外围电路非常简单，使用起来极为方便

（2）缺点

输入输出压差大时，转换效率低 2.6.2开关电源的特点:

（1）优点

转化效率高。功率转化密度高。

（2）缺点

开关噪声高，对开关噪声高的电路不太合适。输出纹波电压较高。电压调整率等性能也较差。二、DC-DC中BUCK开关电源 2.1电路简介

Buck 变换器:也称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。

Q 为开关管，其驱动一般为 PWM ( Pulse width modulation 脉宽调制) 信号，信号周期为 $T_{S}$ ，则信号频率为 $f=\frac{1}{T_{S}}$ ，导通时间为 $T_{ON}$ ,关断时间为 $T_{off}$ ，则周期 $T_{S}=T_{ON}+T_{OFF}$ ，占空比 $D_{y}=\frac{T_{ON}}{T_{S}}$ 。

负载大，占空比也大，成正比关系。

2.2内部结构

在下图中仅解释一下，集成电路控制器（IC Controller）其实是 PWM 波控制器件（PWM Controller）。

其中磁学就是指电感。

2.3内部结构框图

内部结构框图的中英文框图图如下。

（1）IC Controller

（2）PLLLPF：电路补偿反馈环路

（4）电容：滤波，当负载变化时，给输出提供一个“可充可泄的小池塘”

（5）电感：两端电压不能突变，过滤尖峰电压，产生小的纹波。电感是通过磁场将噪声反射掉，并提供另一个更容易泄放通路，这一点注意和磁珠区别。

（6）Low $R_{DS\left ( ON \right )}$ ：电流流经的时候，功耗小。

低门限：更容易驱动

（7）高压地和低压低隔开，实现单点接地，噪声、纹波都隔开了

2.4 LTM6420 内部框图

比较复杂的芯片，后续使用中可以去看数据手册把~

2.4.1注意事项 LTM4620A 电源芯片是降压型的电源模块。(设计的时候要确认是升压还是要降压)宽范围的输入电压: 4.5V~16V。(设计时要确认输入电压是否在这个范围之内，降压型的芯片Vin 要大于 Vout )输出电压: 0.6V~5.3V。(设计时要确认此电源模块能否输出所要电压，注意 LTM4620 的第二路采用差分输入时，Vout 要小于 3.3V)工作频率的设定:

开关频率高了优点：相同的输出电容纹波更小，动态响应更好。缺点：开关损耗更高，开关噪声的能量更高。开关频率低了优点：开关损耗更低，开关噪声的能量更低。缺点：是相同的输出电容纹波更大，动态响应更差。根据以上特性选用中间值500KHZ的工作频率。设计时要注意电源芯片的工作温度。(如果工作温度不满足可能会导致输出电压不正常的问题)对电源模块的工作模式的选择电源模块使用在轻负载条件时，采用 BURST（连续工作模式）/Pulse-Skipping（断点工作模式）模式，可以提高转换效率。重负载时采用连续模式 BURST（连续工作模式），纹波小，电源的动态响应好(如果采用BURST/Pulse-Skipping模式会造成输出电源纹波大，动态响应差的情况，并且重负载时不可以使用断续模式。)。

输出电压设定。注意如果有多路并联或者多片并联要注意内部上拉电阻是否也并联了。如果有计算时要用内部的上拉电阻除以并联数。

软启动的设置。根据电压启动需要的次序设置几个电源模块的 SS 的电容。使其产生需要的上电次序。注意:电容设置过大会造成电源启动过缓，出现CPU启动异常的现象。太小会出现电源启动不起来的情况。

PhaseMd 的设置:如果是单片时设置两路输出的相差。设置为 45~60 度。track 的设置:如果两路有依存关系，使用 track 设置启动方式，亦可以使用一路的 PG 接到另一路的 R U N 脚来控制启动次序。

输入电容，输出电容的选用: （1）采用低ESR的高频电容（2）注意输入，输出电容的容量，耐压。（3）布局时尽量靠近电源模块。（4）电容采用大电容，小电容，大封装，小封装的配合使用（低频高频波）。（5）充分考虑电容在高温，低温下电容的容量的变化，余量要留够。（6）考虑电容的工作寿命。(特别是高温工作) 三、设计注意事项及案例分析 3.1快速瞬态响应

翻译：

通常1或2个散装电容器就足够了，但如果需要更快的瞬态响应，可以增加更多的 $C_{out}$ 。

右图就是对负载电流变化的快速响应。

3.2温度对输出功率的影响

3.3多片并联注意均流问题

注意:详细看资料对两片需要接在一起的位置一定要联接!!

如:SBC8640M-A12 V1.0，两个4620电源并联使用时，用于相位匹配的CLK没有互连，但输出连接到一起，造成两个片子电源冲突，输出不正确呈振荡现象。

3.4注意反馈环路的参数的选取

如:SBC8640M-A10 V1.0 板上测量到 CPU 核电压纹波过大，达 3~400mV. 设计上在 4620 的差分反馈链路上加入一个过大的滤波电路的关系，该电路造成 4620 反馈减缓，造成输出纹波变大。

反馈电容一般是pF级，图中使用了 10nF。

3.5电源供电

（1）注意CPU是用哪个电源供电，如果选择不当可能产生冲突

如 RC3358I-M4-CPU 主板 V1.1 在焊接上 ARM 芯片后，板上用于 ARM 供电的芯片则无输出 ARM 芯片 (AM3359) 的 RTC 供电通过外部设置选择采内部供电，或者外部供电。板子设计上设置为 ARM 芯片内部 LDO 供电，同时外部电源芯片的供电未断开，造成了电源冲突;导致TPS65910AA1RSL 关闭，其他路电源也没有输出了。

（2）注意对电源的MODE的应用，如Continuous,BURST,Pulse-Skipping

如 SBC8640I-AD4 V1.0 V2.0 SRIO SW(1848) 板间互联低温下小概率测试错误，3.125G降为1.25G依旧（误差大于3%）。

测试发现1848工作电源1.2V纹波较大，进一步分析确认其为burst模式本身文波会较大，更改为连续模式问题解决。BURST，Pulse-Skipping模式应用在轻载的电路，如果突然需要大电流输出电路的纹波就比较高。

3.6注意电源的低温输出偏离的问题

如 sbc1022m-ab4 在 -55 度低温测试时发现 3.3v 输出只有 3.15V。

经过反复测试发现在低温( -55度)是电源的 VREF 参考电源( VSENSE )从 0.891V 变位 0.85V 即低温使参考变坏造成输出电压偏低。

3.7 注意设备是否正常

调试时注意ATX电源，万用表，示波器等设备是否正常

由于现在板卡的功耗很高，在调试时要注意接的电源线足够的粗，否则线压很高，造成到达板卡时压降很高，使得电源芯片电压不够造成工作异常调试前先确认电源输出是否正常。(当时在调试B20板卡时，发现启动一直不正常，一直怀疑是复位问题，复位信号是反复出现。经过反复测试才发现是ATX电源输出不正常，本该输出5V的，带载后只有4.5V,空载测试可以输出5V。有些ATX关机后，立马开机，启动输不出电压等问题测试电压时，注意示波器(非隔离)的地是否跟ATX电源已经共地,如果共地不要将示波器的夹子(地线)触碰板卡的电源通路。万用表使用时确认是否电池没电了，如果电池电压不够可能测量不准确。由于我们使用的ATX电源的限流很高，在调试时要注意不要接反(电路没有防反接保护)。上电前要先测试输入阻抗是否正常，如果不正常可能会损坏板卡。 3.8注意电源的负载与效率的关系

注意电源的效率跟输入电压，输出功率有很大的关系。如果负载只有额定功率的 10%，电源的效率就不高，在 50% 的额定功率时输入输出压差越小效率相对越高。(不同电源芯片特性可能不同，以资料为主)

3.8注意电源的其他设计问题

注意输入，输出电容的容值，耐压，封装。

注意调压电阻的参数，防止错误，出现烧毁板卡的问题。

输入，输出电容尽量靠近电源芯片。大电容靠近电源，小电容其次。

注意电源芯片的散热。尽量不要将热点集中。

3.9注意电源的PCB设计问题

Vin、和Vout使用大面积铺铜，提供更大的电流路径，帮助热传导。在Vin、和Vout的高频电容尽量靠近IC.减小引线感抗。SGND,GND通过一个通道联通。在器件下铺一个电源地层。防止电源的开关噪声对其他信号产生影响。过孔不要直接放在焊盘上，防止虚焊。布局是尽量不要让热点集中。对热敏感的原件(如:ADC,恒温晶振等)不要放在电源旁边。

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