【硬件设计】硬件学习笔记二--电源电路设计

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写在前面：本篇笔记来自王工的硬件工程师培训课程，想要学硬件的同学可以去腾讯课堂直接搜索，以下是我对知识点的总结归纳，硬件的学习还是建议大家多去看元器件手册，多动手实操。

一、LDO设计

1.1 LDO原理

定义
LDO是Low Dropout Regulator的缩写，意思是低压差线性稳压器。

• 低压差是指：输入电压-输出电压的值比较低。
• 线性是指：MOS基本处于线性工作状态。
• 稳压器是指：在正常的VIN范围内，输出VOUT都稳定在一个固定值，这个固定值就是我们想要的电压值。比如VIN电压4.4~5V，VOUT始终保持3.3V输出。

组成
LDO通常包括一个基准电压源、 一个取样输出电压、 一个误差放大器和一个串联调整管
组成组成， 用放大器控制稳压器的压降维持要求的输出电压值。

输出电压经过反馈电阻分压到误差放大器输入端，当输出电压高于设定值时，内部回路会改变驱动电压，使得管子的导通压降增大，从而降低输出电压。

调节原理
LDO正常工作在点P1
负载电阻降低，输出电流增大，输出电压Vo降低，V_DS增大，工作点移动到P2，
反馈电压降低，放大器输出使V_GS增大，V_DS减小，I_D增大。工作点移到P3， V_F与V_REF之差趋于0，系统恢复了平衡。

提升：下图中的P1、P2、P3变化线应整体左移到可变电阻区，图中为了方便观看所以放置在右边，当然也有在恒流区调整的LDO。

• 所有稳压器都使用反馈回路（Feedback Loop）以保持输出电压的稳定。
• 反馈信号在通过回路后都会在增益和相位上有所改变，通过在单位增益频率下的相位偏移总量来确定回路的稳定性。
• 引入反馈的电路必须考虑回路稳定性问题。负反馈越深，也容易自激振荡。
• 为了提高放大器在深度负反馈条件下的工作稳定性，一般采用的消振方法为频率补偿（相位补偿）

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1.2 LDO参数

压差
压差是指为LDO实现正常稳压，输入电压，V_IN 必须高出所需输出电压V_OUT的最小压差。

如果V_IN 低于此值，线性稳压器将以压降状态工作，不再调节所需的输出电压。
调节所需的输出电压，反馈回路将控制漏-源极电阻R_DS 。随着V_IN 逐渐接近V_OUT，误差放大器将驱动 栅-源极电压V_GS负向增大，以减小R_DS，从而保持稳压。
但是，误差放大器输出达到饱和状态之后，无法驱动V_GS 进一步负向增大。R_DS 已达到其最小值。将此R_DS 值与输出电流I_OUT 相乘，将得到压降电压。

线性(电压)调整率
线性调整率（Line regulation）定义了输入变化对输出的影响，即在负载一定的情况下，输出电压变化量和输入电压变化量之比。

线性调整率公式为：

即 输出变化 比上 输入变化

要减小线性调整率，可以提高误差运放的放大倍数和增大调整管的跨导。

LDO的线性调整率越小，输入电压变化对输出电压影响越小，LDO的性能越好。

负载调整率
负载调整率（Load regulation）是指在给定负载变化下的输出电压变化，这里的负载变化通常是从无负载到满负载。

负载调整率公式为：

即 无负载电压到满负载电压的变化 比上 无负载电流电流到满负载电流变化

• 负载调整率体现了通路元件的性能和稳压器的闭环DC增益。闭环DC增益越高，负载调整率越好。
• 和线性调整率一样，负载调整率和误差放大器的放大倍数A及调整管的跨导有关，为了减小负载调整率可以提高这两个量的值。
• LDO的负载调整率越小，说明LDO抑制负载干扰的能力越强。

电源抑制比
LDO优势之一是能够衰减开关电源生成的电压纹波，而能够衰减电压纹波的重要参数就是电源抑制比（PSRR）。
PSRR 它规定了特定频率的交流信号从LDO 输入到输出的衰减程度。


和上面两个参数不一样，电源抑制比越大越好。

瞬态响应
瞬态响应为负载电流突变时引起输出电压的最大变化，它是输出电容
Co及其等效串联电阻ESR和旁路电容Cb的函数，其中Cb的作用是提高负载瞬态响应能力，也起到了为电路高频旁路的作用。
要想实现最佳瞬态响应，闭环回路带宽必须尽可能高，同时还要确保有足够相位余量，以保持稳定性。


因此，可以根据图示选择更大一点的旁路电容。

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1.3 应用

功率与温升的计算

图中框出的参数表示功率为1w时，温度上升的度数。
我们可以通过预设的输出电流与压降计算出器件功率，然后得到温升是多少，从而判断是否可以选用这个器件。

图中表示输出电流变化时输出电压的变化，当电流大到一定程度时，电压会迅速减小。

输入输出电容的考虑
输入电容 的主要作用是对调整器的输入进行滤波，另外输入电容也以抵消输入线较长时引入的寄生电感效应，防止电路产生自激振荡；所以调整器输入端一般采用两个电容并联的设计。
较大的电容提供滤波作用，一般取22uF左右；较小电容提供消除振荡作用，一般选用0.1uF，位置尽量靠近调整器的输入引脚。

注意：温度对电容特性的影响
电容都需80％的降额，钽电容需要50％的降额。

输出电容 电压调整器的许多性能都受输出电容的影响。其中电容值以及ESR对电路频率响应的影响是最主要的，输出电容以及ESR选择不当，非常容易引起电路的自激振荡。

一般取22uF左右；较小电容提供消除高频噪声作用，一般选用0.1uF

位置尽量靠近调整器的输出引脚,在选择电容的时候还需要考虑温度对容值以及ESR的影响，应该保证在整个温度范围内电路都是稳定的。

因为LDO控制环路的带宽有限，因此输出电容必须提供快速瞬变所需的大多数负载电流。

实际电路

相位裕量
当增益为零时，相位减去180°的值要大于45°，否则会影响电路稳定，该值由输出电容的ESR决定。

PCB板绘制的一些注意事项
1、电容按先大后小顺序就近摆放
2、输入/输出布线路径宽度、 换层过孔数量须满足电源电流大小；
3、大的GND焊盘须打过孔， 以方便散热， 背面须开阻焊窗。
4、输入/输出的GND尽量汇接在一起，保持完整的回流

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二、DC-DC设计

2.1 DC-DC原理

原理

电路通过将输入电压不断开关，形成的PWM电平，当电压到零时，通过使用续流二级管、续流电容、续流电感减小电压的降低速度，直到电源重新打开，电平变化的中间值就是输出电压。

功能分开讲：

• 开关开通，能量从输入向输出传递，电流是斜线上升的；
• 开关关断，这时电感、负载、二极管形成续流回路，电流开始线性减少；当低到一定程度，重新开通开关；
• 高频率的开通和关断，就形成一个稳定的输出电压。

简化原理图

各个器件的作用:
1、输入电容器(C1)用于使输入电压平稳;
2、输出电容器(C2)负责使输出电压平稳;
3、箱位二极管(D1)在开关开路时为电感器提供一条电流通路;
4、电感器(L1)用于存储即将传送至负载的能量。

输出什么时候是升压，什么时候是降压呢?

我们可以根据公式Vo=Vin*D/(1-D)中知道，当D=0.5时，Vo=Vin;当D<0.5时，Vo<Vin;当D>0.5时，Vo>Vin。

同步整流

同步是采用通态电阻极低的专用功率MOSFET，来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。它能大大提高DC/DC变换器的效率并且不存在由肖特基势垒电压而造成的死区电压。功率 MOSFET属于电压控制型器件，它在导通时的伏安特性呈线性关系。用功率 MOSFET做整流器时，要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能，故称之为同步整流。

对比选择：

• 效率
  同步效率高，非同步效率低。

• 成本
  同步成本高，非同步成本低。

• 可靠性
  同步可靠性高，非同步可靠性低。

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2.2 DC-DC参数介绍

电源效率η
效率公式为：

P_out：输出功率
P_d：电平转换芯片损耗功率

5V输出与3V输出的损耗对比示例：


模式Burst Mode-CCM
在轻负载时， PWM 转换器能自动切换至一种“低功耗”模式以最大限度地减少电池电流消耗，该模式有时被称为“ PFM” – 但实际上是一个间歇式地接通和关断的固定频率(PWM) 转换器。

根据左边和右边的波形我们可以看到，左边的是经典的PWM模式，右边的图是在轻载或者时的PWM跳跃模式的波形，跳跃模式中的PWM的频率降低，所以开关损耗减少了。

反馈控制
当输出电压增加时，反馈电压V_FB增加，而负反馈误差放大器的输出减少。因此，占空比减小。输出电压被拉回，使V_FB = V_REF。只有一个控制环路来调节输出。

以下参数一TPS54331芯片为例：

• BOOT: 连接自举电容的引脚，一般连接电容为0.1uF
• VIN：输入电压的引脚，输入电压在3.5-28V
• EN：启动引脚，默认是电压大于1.25V时，输出电压
• SS：缓启动引脚，让输出电平到达时间降低
• VSENSE：反馈电压引脚
• COMP：环路引脚，改变相位裕量与增益裕量
• GND：接地引脚
• PH：输出引脚
• 特殊引脚

典型电路

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2.4 DC-DC设计要点

EN引脚电阻的计算

如图是手册给的计算方法

• V_EN默认为1.25V，也就是说输入电压VIN上升到1.25V后芯片才能输出电平，通过改变Ren1和Ren2的阻值改变其值。
• V_START 表示输入电压提升到V_START 后芯片才会输出电压
• V_STOP 表示输入电压降低到V_EN时，芯片就会停止输出电压

例如输入电压是12V，输出电压是3.3V，最大电流3A，我指定电压上升到8V后，才能输出3.3V，电压降低到7V，就停止输出3.3V
那么V_START = 8V，V_STOP = 7V,带入公式得到
Ren1电阻值大约为333k
Ren2电阻值大约为58.8K

SS引脚缓启动电容设置

上面手册说的意思就是可以通过设置SS引脚连接的电容值设置输出电压的缓启动时间。

缓启动时间就是输出电压从0 到达 目标电压的时间。
缓启动时间最好设置在1ms-10ms，电容最大不能超过27nf，将电容带进公式计算得到时间10.8ms
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。
一般可以选用22nF或10nF

VIN引脚输入电容的计算

输入引脚端一般要接滤波电容对电压进行滤波处理，手册推荐选择10uF，X5R或X7R材质的，它实际使用的是2个4.7uF的电容并联，ESR在2m欧，最大输出电流为3A，还并了一个0.01uF的电容用于高频滤波。

滤除纹波电压的范围如下公式计算得到：

• I_O(MAX) : 最大输出电流，上面说了为3A
• C_BULK ：并联的电容值，上面说了为10uF
• f_SW ：开关频率，手册查了是570kHz
• ESR_MAX：电容的ESR值，为2m欧，带入公式可以得到，滤除的纹波电压范围为143mV。

除了滤除的纹波电压，上面还提到，要考虑纹波电流，为I_O(MAX)/2，也就是1.5A。

一般的计算公式如下：
电流有效值计算：

• dc是占空比，一般为0.5
• 由于上面已经乘以1000了，所以分母不用进行单位换算，如果带入C_MIN的值为10uF，计算滤除的纹波最大电压为131.58mv

实际使用中，选择的电容一般是一个47uF的钽电容、一个10uF的陶瓷电容以及一个0.1uF的小电容并联，可以滤除高频和低频的噪声且ESR特别小。

输出电压的计算
输出电压可以通过VSENSE引脚设置，该引脚是芯片的负反馈引脚

通过设置R5和R6的值，可以设置输出电压，计算方法如下：

手册说R5、R6可以设置输出电压值，选的电阻值R5为10.2K，R6为3.24，R4的0欧电阻可以在在焊接电路时不焊，用来测试电路稳定性。

滤波电感的选择

计算方法：

• Vinmax:输出电压最大值，12V
• Vout：输出电压，3.3V
• Io：输出电流，3A
• Kind:一个系数，0.1-0.4，一般选择0.3，详细解释可以看手册
• f_SW : 开关频率，570kHz

带入公式得到L1=4.66uH，因此我们可以选择常用的4.7uH的电感。

感值的影响：

• 感值高 – 纹波电流小
• 感值低 – 纹波电流大
• 纹波电流是决定磁芯损耗的要素
• 减少功率电感损耗的重要参数不仅包括开关频率，还包括纹波电流。

补充公式：

上面是纹波电流I_LPP，温升电流I_L(RMS)，峰值电流I_L(PK)的计算公式，带入电感4.7uH，得到I_LPP为1.16A，I_L(RMS)为3.01A，I_L(PK)为3.58A。

温升电流是指温度不超过40度时的电流。

输出电容的选择

输出电容的影响：

• 对输出电压纹波的影响
• 负载瞬变后对输出电压的影响

纹波电压的计算公式如下：

等于 电感纹波电流 × 输出电容的电阻

芯片手册说明如下：

手册的意思是说一般选取的输出电容的角频率要小于剪切频率，而剪切频率一般不超过开关频率的1/5，本芯片中将剪切频率设置在25kHz。

因此输出电容的计算公式如下：

• R_o 是输出阻抗（3.3/3 = 1.1）
• F_CO(MAX) 是剪切频率（25kHz）

得到最小电容值为5.8uF。

除了要考虑容值，还要考虑纹波电压、电容的ESR、电容的纹波电流，计算公式如下：

D：占空比（0.5）
V_OPP：纹波电压，我们期望最大值为25mv，因此可以得到ESR_max为21.5m欧

续流二极管

手册说明：

意思是续流二极管反向放在PH引脚与GND之间，如果导通压降是0.5V，那么输入的最大电压要大于V_IN(MAX)+0.5，要注意二极管的功率损耗问题尽量选择损耗较小的二极管，它的典型电路中采用的是反向电压40V、导通电流3A、导通压降0.5V的二极管。

环路设计计算

环路设计指标：剪切频率、相位裕量、增益裕量——下面将一一给出这几个指标的定义、意义和经验值：

• 剪切频率：
  • 定义：有的文档上叫穿越频率，是指环路增益为0dB时对应的频率；
  • 意义：剪切频率越高，响应速度越快，但更容易引起环路不稳定或振荡；剪切频率过低则环路瞬态响应不够，可能导致输出电压异常；
  • 经验值：通常剪切频率设计为开关频率的1/10~1/20；瞬态响应不足的系统往往其剪切频率低于10KHz，此时环路处于过度补偿的状态;
• 瞬态响应：主要表征因负载变化而引起的输出电压变化，瞬态响应越差，则相同负载变化引起的输出电压变化越大；
• 相位/增益裕量：
  • 定义：相位裕量——当环路增益为0时，对应的信号相位与180°的差值；增益裕量——当信号相位为0时，对应的负增益量；
  • 意义：表征开关电源的稳定度，如相位裕量或（和）增益裕量不够，则可能因温度、PCB布局布线以及器件个体差异等影响，
    使系统进入不稳定或振荡的状态；
  • 经验值：足够稳定的开关电源设计，一般应使相位裕量≥45°，增益裕量≤-10dB。

第一步是选择剪切频率。
第二步是计算剪切频率所需的增益和相位提升。

剪切频率为25kHz（F_co）

根据手册描述：

相位裕量应大于60

相位损失计算公式：

C_O 为输出电容，R_ESR 为输出电容的ESR，描述如下：

因此C_O = 54uF，R_ESR = 1m欧

因此得到：

相位升量PB为：

PM为相位裕量60，PL= 83.52
因此PB = 53.52

求得PB，那么下面的值就可以得到

因此环路可以确定：

R_z = 29.14k
C_z = 928pF
C_p = 51pF

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2.5 DC-DC设计注意事项

开关频率的考虑

• 开关频率高了优点是：相同的输出电容纹波更小，动态响应更好。缺点是开关损耗更高，开关噪声的能量更高。
• 开关频率低了优点是：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。

工作温度
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)

模式选择
电源模块使用在轻负载条件时，采用BURST/ Pulse-Skipping模式，可以提高转换效率。
重负载时采用连续模式，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）。

几个注意点
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。
注意电源的低温输出偏离的问题，温度过低或过高输出电压会有变化。
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%的额定功率时效率最高。输入输出压差越小效率相对越高。

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