本文是?21Dianyuan 社區(qū)原創(chuàng)技術(shù)文章，作者老余，感謝作者的辛苦付出。

一、題目要求

?基本指標(biāo)：

1、輸入電壓 12V， 輸出電壓 2.5V，持續(xù)輸出電流能力不小于 2A；

2、整版使用電容合計(jì)容量，不得大于 60uF；

?詳細(xì)指標(biāo)(以表格方式給出)：

考核項(xiàng)目	測試標(biāo)準(zhǔn)	評分標(biāo)準(zhǔn)
瞬態(tài)響應(yīng)	0.125A-1.25A 1ms 脈寬負(fù)載，檢測電壓瞬態(tài)變換值，測試點(diǎn)選取離 IC 最遠(yuǎn)的一個(gè)濾波電容兩端。示波器探頭使用彈簧接地針，以最小路徑測試濾波電容兩段的紋波，20MHz 帶寬開啟。	超 ±120mV 的0分，每低 5mV，加1分
滿載效率	2A 負(fù)載下的電源轉(zhuǎn)換效率??	低于90%的0分，每高0.5%，加1分
輕載效率	125uA 負(fù)載時(shí)的電源轉(zhuǎn)換效率	低于50%的0分，每高2%，加1分
輸出紋波	2R 水泥電阻負(fù)載(1.25A 恒定輸出電流)下的電源紋波，測試點(diǎn)選取離 IC 最遠(yuǎn)的一個(gè)濾波電容兩端。示波器探頭使用彈簧接地針，以最小路徑測試濾波電容兩段的紋波，20MHz 帶寬開啟。	高于 30mV 的0分，每低 1mV 加1分
靜態(tài)電流	斷開負(fù)載，保持輸出電壓 2.5V 持續(xù)輸出，上電穩(wěn)定1分鐘后，測試輸入端消耗的靜態(tài)電流，使用4位半萬用表微安檔直接串聯(lián)測量，或者在輸入串接 10K 電阻，短接啟動后測量電阻兩端電壓推算電流。	高于 50uA 的0分，每低 2uA 加1分
電路設(shè)計(jì)	原理圖及 PCB 的設(shè)計(jì)及標(biāo)注規(guī)范性	原理設(shè)計(jì)規(guī)范，PCB 布局布線

二、題目分析與方案設(shè)計(jì)

?點(diǎn)1：題目要求是直流功率變換，故采用 DC-DC 變換器，由于是題目是降壓輸出，考慮使用 BUCK 或者 BUCK-BOOST，但考慮到紋波和效率要求，故功率變換選擇 BUCK 拓?fù)洹?/p>

?點(diǎn)2：考慮靜態(tài)電流 50uA 和輕載(125uA 負(fù)載)高于50%效率的指標(biāo)，這實(shí)際上客觀由選型的芯片決定，故芯片選型十分重要。

?點(diǎn)3：關(guān)于整版電容值用量不得超過 60uF 的要求，這實(shí)際上關(guān)乎到幾個(gè)方面：一是電容的量(輸入端和輸出端的容值)都與整個(gè)變換器的開關(guān)頻率有關(guān)；二是，輸出電容的大小會影響輸出紋波、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及瞬態(tài)能力，故在設(shè)計(jì)中應(yīng)該權(quán)衡好電容容值與其他變量之間的關(guān)系，不能刻意為了減少電容容值而導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。

?點(diǎn)4：開關(guān)電源的效率問題，因?yàn)槭菃纹瑧?yīng)用方案，故該指標(biāo)一般決定于芯片本身，所以這與芯片選型也密切相關(guān)。但此外，需要注意到，效率直接或間接與開關(guān)管的導(dǎo)通內(nèi)阻、壓降、開關(guān)頻率、負(fù)載工況、輸入輸出工況、電感的 DCR 等等相關(guān)，這些無論在芯片選型還是外圍元件選材時(shí)都必須關(guān)注。

?點(diǎn)5：關(guān)于瞬態(tài)響應(yīng)，該指標(biāo)是在脈沖負(fù)載下，對輸出的瞬態(tài)值的測量。該指標(biāo)一般與芯片的工作模式有關(guān)，故一定程度上與芯片選型有關(guān)；此外，可考慮通過外圍電路進(jìn)行補(bǔ)償(有些芯片帶外部補(bǔ)償引腳，如果沒有的話是否可以人為補(bǔ)償？)。

綜上，經(jīng)過仔細(xì)對比，確定芯片型號為?LT8640S-2，采用 BUCK 拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)電源設(shè)計(jì)。

本方案最大的矛盾：輕載效率&瞬態(tài)響應(yīng)這對矛盾，受限于題目要求“不能手動切換工作模式”。換言之，實(shí)際工作時(shí)，要求設(shè)計(jì)的電源根據(jù)工況自動切換工作模式，關(guān)于這一點(diǎn)，后期繼續(xù)完善設(shè)計(jì)。

目前已收到樣片，爆個(gè)照先：接下來有的忙了，后期會不斷更新。

本次電源主芯片采用的是 LT8640S-2，應(yīng)用原理圖如下圖1-1-1所示， demo 板的各參數(shù)羅列如下表1-1：

圖1-1-1 LT8640S-2 應(yīng)用原理圖

參數(shù)	值?
輸入端電容?	(3.3+1)*2=8.6uF?
輸出端電容?	22+10+10+4.7+3.3=50uF?
總電容	8.6+50=58.6uF，此外為其他小電容總值
輸出電阻?	FR-07 0402 ±1% 精度電阻 1.2M，750K
額定輸出電壓?	(1+1200/750)*0.97=2.522V?
實(shí)測空載輸出電壓?	2.535V?
RT(頻率設(shè)定電阻)	62K?
Fsw(開關(guān)頻率)	692KHz，實(shí)測 684KHz?
輸出電感?	4.7uH?

表1-1 原理圖各參數(shù)匯總表

測試過程

一、本次電源 demo 板實(shí)物圖如下1-1-2所示

圖1-1-2 LT8640S-2demo實(shí)物圖

二、測試儀器

KEITHLEY_2430C 直流電源、Victor VC97 萬用表、UNI-TUT56 萬用表、鼎辰 DCL6204 電子負(fù)載、示波器等；

三、測試波形與測試結(jié)果

NOTE ：本次 2.5V/2A 電源 demo 板，輸入輸出接口采用的是連接線引出方式。實(shí)測發(fā)現(xiàn)，在大電流測試時(shí)，線損導(dǎo)致的壓降比較大，所以實(shí)際測試時(shí)，需要考慮線壓降，例如 2A 重載工況下，直流電源輸入端應(yīng)該調(diào)節(jié)到 12.75V 左右。

1

靜態(tài)電流

VIN=12V 條件下，輸入端靜態(tài)電流測試如下圖3-1-1所示。

圖3-1-1靜態(tài)電流Iq測試

實(shí)測電流值在 1.8-2.1uA 之間抖動，取 Iq=2.0uA。

2

輕載效率

125uA 負(fù)載(使用 20K歐 負(fù)載)下，測試得到的輸入輸出端數(shù)據(jù)如下圖3-2-1(a)、(b)、(c)所示：

(a) 20K歐 負(fù)載下輸入端串聯(lián)電流表電流

(b) 20K歐 負(fù)載下直流電源輸入端顯示電流

(c) 輸出端 20K歐 時(shí)輸出電壓

圖3-2-1 20K歐 工況輸入輸出參數(shù)

實(shí)測 20K歐 負(fù)載 RL=20.04K歐，得到效率 η0=2.535*2.535/20.04/(12*34.4)=77.68%。

3

紋波測試

1.25A 工況，使用電子負(fù)載設(shè)定為 CC 模式，設(shè)定電流值為 1.25A，在最遠(yuǎn)端 0.1uF 電容兩端測得紋波峰峰值，得到的測試結(jié)果如下圖3-3-1(a)所示，(b)圖為此時(shí)開關(guān)節(jié)點(diǎn) SW 的波形，可知 Fsw=683.6KHz，與理論設(shè)定值 692KHz 對比，誤差在可接受范圍內(nèi)。

(a)1.25A 負(fù)載下的紋波電壓??

??(b)1.25A 負(fù)載下的SW節(jié)點(diǎn)波形

圖3-3-1 1.25A 負(fù)載下的紋波和 SW 節(jié)點(diǎn)波形

由上如圖得到 1.25A 時(shí)的紋波電壓為 Vripple_1.25A=5.6mVpp。

4

滿載(2A 負(fù)載)效率測試

調(diào)節(jié)電子負(fù)載輸出電流為 2A，測得輸入輸出端的電流電壓數(shù)據(jù)如下圖3-4-1(a)、(b)所示。

(a)2A 負(fù)載輸入端電壓電流數(shù)據(jù)? ?

(b)2A 負(fù)載輸出端電壓電流數(shù)據(jù)

圖3-4-1 2A 負(fù)載下的輸入輸出端電壓電流數(shù)據(jù)

由上圖數(shù)據(jù)得到 Iout=2A 時(shí)的效率 η1=2.526*2/(12.035*0.45078)=93.39%。

5

瞬態(tài)響應(yīng)測試

要求輸出為 0.125A-1.25A 的 1ms 脈沖，測試輸出端交流紋波的最大幅值。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，脈沖電流的上下沿斜率(對應(yīng)電流壓擺率必須要足夠大)要較大，才能使得電流波形盡可能呈現(xiàn)方波。得到的測試數(shù)據(jù)如下圖3-5-1所示，取 Vpk_pk/2 得到測試值 83mV。

圖3-5-1 0.125A-1.25A 的 1ms 脈寬瞬態(tài)響應(yīng)測試波形

附錄：瞬態(tài)響應(yīng)測試平臺

瞬態(tài)響應(yīng)測試條件為 0.125A-1.25A 的脈寬 1ms 的電流，使用電阻和 MOS 管，使用 FPGA 產(chǎn)生 9ms 脈寬的 100Hz 信號，經(jīng)過柵極驅(qū)動電路作信號放大之后，去驅(qū)動 MOS 完成開關(guān)動作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)脈沖電流。關(guān)鍵之處在于，產(chǎn)生的脈寬電流的壓擺率要足夠大(1A/us 以上)。

搭建好的試驗(yàn)平臺如下附圖1：

附圖1 瞬態(tài)響應(yīng)測試 testbench 及測試平臺

* 本文為 21Dianyuan 社區(qū)原創(chuàng)文章，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。請尊重知識產(chǎn)權(quán)，違者本司保留追究責(zé)任的權(quán)利。

點(diǎn)

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的buck变换器设计matlab_2.5V/2A 高质量电源设计的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。