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關(guān)于轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)與IC額定負(fù)載能力的區(qū)別和應(yīng)用

立錡科技 ? 來源:djl ? 2019-10-10 15:10 ? 次閱讀

人在什么情形下才會(huì)做分享呢?首先是心中要有東西,然后需要這顆心是打開的,還要有值得分享的對象以及方便的時(shí)間和場合,缺了其中的任一點(diǎn),分享就無法進(jìn)行。我們的微信平臺就是一個(gè)很好的場所,歡迎大家常常來利用,我在這里等大家。如果你來的時(shí)候恰好我不在,我也會(huì)在返回以后盡快回復(fù)。

上周就有這樣一個(gè)案例,一位朋友在使用RT6224A完成5V轉(zhuǎn)4V的應(yīng)用時(shí)遇到了負(fù)載能力達(dá)不到器件能力的問題,他通過微信平臺與我們聯(lián)絡(luò),我在詢問了各方面的狀況以后給了他一些建議,雖然最后仍因設(shè)計(jì)上的不足不能達(dá)到器件的最大能力,但已經(jīng)能滿足他現(xiàn)在的實(shí)際需要了。如果你在工作中也遇到了類似的問題,你也可以像這位朋友一樣來利用我們,我們對這樣的利用是很開心的,因?yàn)檫@說明我們是有利用價(jià)值的。下面我就以此案為例為你分享一些設(shè)計(jì)中需要注意的問題,希望能對你的工作和學(xué)習(xí)有所幫助。

要好好利用規(guī)格書

如果不是因?yàn)檫@位朋友提問,我可能永遠(yuǎn)不知道RT6224A是一款輸入電壓范圍為4.3V-18V、負(fù)載能力3A、最大占空比為90%的ACOT架構(gòu)Buck轉(zhuǎn)換器,但是一旦查閱資料知道這些信息,我們就知道用它實(shí)現(xiàn)5V轉(zhuǎn)4V、最大負(fù)載為2.5A的應(yīng)用是可行的。如果還處在選型階段,我們在這個(gè)時(shí)候可能要關(guān)心的重點(diǎn)就是它具有什么樣的保護(hù)特性、是否支持輕載高效的工作模式以及是否可控等等。

電源器件的規(guī)格書通常都會(huì)給出電路參考設(shè)計(jì)圖,有時(shí)還會(huì)給出不同工作條件下的元件參數(shù),RT6224A所給出來的這些資料是這樣的:

在本案中,輸出電壓為4V,上述表格中沒有給出與之對應(yīng)的參數(shù)建議,但我們可以將3.3V和5V輸出兩種情況下的參數(shù)做一個(gè)折中后進(jìn)行選擇。

按照通常的設(shè)計(jì)方法,我們可能會(huì)按照工作條件進(jìn)行參數(shù)的計(jì)算,這時(shí)候會(huì)預(yù)先定義一個(gè)電感電流紋波指標(biāo),然后再據(jù)此計(jì)算出電感量,RT6224A的規(guī)格書也給出了這部分內(nèi)容,我們的朋友由此方法得到的電感量是2.2μH,這比推薦的參數(shù)要小很多。比較小的電感量所帶來的問題,首先是電感電流紋波會(huì)較大,電流的峰值較高,相應(yīng)的電感發(fā)熱會(huì)加重,既降低效率又容易飽和,飽和又會(huì)直接加大電感電流紋波,甚至可能直接損壞電感和IC;其次是輸出電壓紋波會(huì)變大,對負(fù)載沒有好處;影響反饋回路的穩(wěn)定性;可能直接觸發(fā)IC的過流保護(hù)機(jī)制,從而進(jìn)入過流保護(hù)狀態(tài)。

上圖表格下方的注解是需要注意的,它在強(qiáng)調(diào)電容的有效值,它會(huì)隨著直流偏置的變化而變化。本案中的輸出電壓為4V,這對電容量的影響也不會(huì)小。電容量的變化與交流偏置也直接有關(guān),讀者可在我們的歷史消息里查看相關(guān)的內(nèi)容。

在本案中,我們的朋友在將電感換為4.7μH的以后,電流負(fù)載能力從原來的1.5A左右提高到了2.5A左右,雖然沒有達(dá)到器件額定能力,但已經(jīng)能滿足應(yīng)用的需要了。

規(guī)格書的應(yīng)用說明部分是很重要的,使用者應(yīng)當(dāng)認(rèn)真閱讀。在RT6224A規(guī)格書的應(yīng)用說明部分就給出了所有電路參數(shù)的計(jì)算方法,另外還給出來了其他的一些指引,如建議在輸入電壓低于5.5V時(shí)增加額外的自舉電容充電電路:

關(guān)于轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)與IC額定負(fù)載能力的區(qū)別和應(yīng)用

實(shí)際上,像這樣的電路在輸入電壓比較低、占空比比較低時(shí)都應(yīng)該加入,我覺得尤以占空比較高時(shí)為重要。在本案中,輸入電壓只有5V,占空比高達(dá)90%,加入這樣的電路就更有必要了。自舉電容的作用是為上橋驅(qū)動(dòng)器供電并在上橋開關(guān)打開時(shí)將上橋驅(qū)動(dòng)器的電壓隨開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的提升而同步提升,使上橋能夠持續(xù)處于導(dǎo)通狀態(tài),如果其儲能不足,開關(guān)的導(dǎo)通程度就會(huì)受影響,從而導(dǎo)致電路效率的下降。由于自舉電容只能在下橋?qū)ǖ臅r(shí)間段里才會(huì)被充電,所以占空比對充電時(shí)間、效果的影響是很大的。

一款器件如果很特別,那些特別之處通常也會(huì)在應(yīng)用說明部分進(jìn)行說明,讀者一定要對此部分加以特別的關(guān)注,把能夠預(yù)防的問題提前考慮到。

要在PCB設(shè)計(jì)上下功夫

在本案中,即使已經(jīng)按照建議參數(shù)選擇了器件,外加的自舉電容充電電路也加上了,還增加了前饋電容,IC的負(fù)載能力仍舊不能達(dá)成額定指標(biāo),PCB設(shè)計(jì)上的限制很明顯。

上圖是本案實(shí)際的PCB設(shè)計(jì)圖照片,其中存在幾個(gè)問題:

1,輸入、輸出電容之間的GND和黑框處的IC的GND端沒有形成有效的短而粗的連接,我甚至看不出來它們之間是如何連接的,那么實(shí)際工作中的電流回路就是混亂的,IC的工作會(huì)受到大量不當(dāng)信號的干擾,EMI問題不能得到有效解決。好在這只是一個(gè)系統(tǒng)驗(yàn)證板,只要能工作,目的就可以實(shí)現(xiàn)了,正常的設(shè)計(jì)可不能這樣玩。

2,反饋信號的取樣點(diǎn)位于電感上,它所取得的信號未經(jīng)輸出電容濾波,因而存在嚴(yán)重的紋波干擾,控制回路很難正常工作。正常的取樣點(diǎn)應(yīng)該位于輸出電容上靠近負(fù)載一側(cè),本圖中應(yīng)位于紅色Vout字串上方。

3,注明為SW的開關(guān)節(jié)點(diǎn)面積過大,這里由于處于輸入電壓和GND電壓的交替變換中,過大的面積很容易就通過電容耦合的方式將干擾信號傳遞出去,后期的EMC測試很難通過,設(shè)計(jì)上應(yīng)該將它最小化、最短化。

現(xiàn)在的電子工程師是很幸福的,做電路設(shè)計(jì)時(shí)有大量的資料可供參考,甚至可以做到拿來就用,但PCB是一定要自己設(shè)計(jì)的,它是實(shí)際的物理過程發(fā)生的載體,如果忽略了基本的物理特性進(jìn)行設(shè)計(jì),很多問題就會(huì)在后期表現(xiàn)出來。所以,有所追求的工程師應(yīng)該將基本的理論用起來,讓它們在設(shè)計(jì)過程中起到引領(lǐng)的作用,把能夠預(yù)防的問題預(yù)先排除掉,讓電路的性能得到最優(yōu)化,自己的功夫也會(huì)在此過程中得到不斷的提升。

說完了問題,再給大家推薦一款很特別的Buck轉(zhuǎn)換器——RT5705,它的控制架構(gòu)是HCOT,也就是將滯回式和COT控制結(jié)合在一起的一種控制架構(gòu),這種方式所帶來的好處是器件自身的靜態(tài)耗電非常低,只有600nA,這樣的數(shù)據(jù)已經(jīng)低于大部分線性穩(wěn)壓器了,是一個(gè)非常出色的水平(我沒有用“卓越”這個(gè)詞,是因?yàn)槲乙呀?jīng)看到耗電更低的型號了,以后再向大家介紹)。由于RT5705的輸入電壓范圍是2.2V-5.5V,輸出電壓是1.8V-3.3V,負(fù)載能力為1A,還含有一個(gè)負(fù)載開關(guān)可以用于局部供電的控制,因而非常適合電池供電的低功耗設(shè)備使用。

RT5705的輸出電壓范圍為1.8V-3.3V,但要選定它的輸出電壓卻不是依靠不同的型號,也不使用反饋電阻,只需要在使用時(shí)將不同的電壓選擇端子接到Vin或GND上即可,因而只用一個(gè)型號即可滿足所有的輸出電壓應(yīng)用需求,對于庫存管理絕對是個(gè)好消息,下圖是把它放在系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)的電路示意圖:

關(guān)于轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)與IC額定負(fù)載能力的區(qū)別和應(yīng)用

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