【實(shí)戰(zhàn)】一個(gè)Buck電路設(shè)計(jì)的完整過(guò)程

作者：時(shí)間：2024-08-01 來(lái)源：硬十

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設(shè)計(jì)需求：

本文引用地址：http://2s4d.com/article/202408/461604.htm

硬十開(kāi)發(fā)的一塊基于安路EG4X20BG256的FPGA板卡。該系統(tǒng)應(yīng)用于一個(gè)USB傳輸，可以進(jìn)行多通道ADC數(shù)據(jù)采集的項(xiàng)目。

整體框圖如下：

實(shí)物如下：

1、Buck控制器選型

電源框圖制作過(guò)程，可以參考前期文檔：

硬件總體設(shè)計(jì)之 “專題分析”

我們可以看到在電源樹(shù)中，分別需要實(shí)現(xiàn)：

5V→3.3V@2A

5V→1.2V@2A

5V→2.5V@2A

此處我們選型的Buck電源控制器（集成Mosfet）是杰華特的JW5359

從Datasheet我們可以看到：

1、輸入電壓范圍滿足要求4.5V~18V

2、輸出電流可以達(dá)到2A，滿足要求。

3、效率達(dá)到95%

4、支持輕載模式FCCM、PFM

5、開(kāi)關(guān)頻率600kHz

如下圖所示為本模塊的電路原理圖，具體內(nèi)容可以簡(jiǎn)化為輸入部分、控制部分、輸出部分以及反饋部分。輸入部分:電容C1電阻R1、R2;控制部分:JW5359M芯片以及自舉電路C2;輸出部分:電感L、電容C3、C4;反饋部分:電阻R3、R4以及電容C5。

電源模塊原理圖

本模塊需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)DC-DC的電源轉(zhuǎn)換功能，其輸入為5V，輸出為3.3V/2A。選擇JW5359M這款芯片，JW5359M的輸入范圍為4.5V-18V之間，輸出電壓范圍為0.765V-VIN*Dmax,最大輸出電流2A。JW5359M的特點(diǎn)有: 基于I2架構(gòu)的單片降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器、開(kāi)關(guān)頻率為600KHZ、內(nèi)部軟啟動(dòng)、效率高達(dá)95%以及熱保護(hù)等。如圖1.2所示為其引腳圖。

GND:接地端

SW:開(kāi)關(guān)輸出引腳

VIN:電源輸入端，并接一個(gè)電容來(lái)儲(chǔ)能和去耦

FB:反饋端

EN:使能引腳端

BST:自舉電容的引腳端，在SW和BST引腳之間接一個(gè)0.1uF的電容以形成浮動(dòng)電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)JW5359M內(nèi)上端的開(kāi)關(guān)管。BST電容失效，芯片會(huì)過(guò)熱或者不能工作。

選擇此顆芯片的主要原因：

a、能供得上貨

b、已經(jīng)完成批量發(fā)貨，經(jīng)過(guò)市場(chǎng)檢驗(yàn)

c、價(jià)格有優(yōu)勢(shì)

d、國(guó)產(chǎn)芯片

e、溫度范圍ok

2 電容選型

2.1輸入電容選型

輸入電容的主要目的是儲(chǔ)能和濾波，以防止輸出需要大電流的時(shí)候，外部供電模塊來(lái)不及供電，從而導(dǎo)致輸出電壓跌落的現(xiàn)象。

根據(jù)JW5359M的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知輸入電容的計(jì)算公式1:

公式1:

Buck電路開(kāi)關(guān)電源的輸入電容應(yīng)該選多大？

ILOAD為輸出電流2A，fs為開(kāi)關(guān)頻率600KHZ，C1為輸入電容，Vout為輸出電壓3.3V，VIN為輸入電壓5V，△VIN為輸入紋波電壓。本模塊JW5359M數(shù)據(jù)手冊(cè)中推薦的22uF的貼片陶瓷電容，可計(jì)算出△VIN為34mV。在選擇輸入電容的時(shí)候首先要保證電容的耐壓值為供電模塊的1.5倍。這里選擇一個(gè)22uF/10V的X5R或X7R貼片陶瓷電容。輸入電容器可以是電解的、鉭或陶瓷的。為了減少潛在噪聲，在使用電解電容器時(shí)，應(yīng)盡可能放置一個(gè)小型X5R或X7R陶瓷電容器，例如0.1uF/10V的貼片陶瓷電容來(lái)濾除輸入直流電壓中的高頻信號(hào)。

電容上本身的ESL并不大，但是經(jīng)常會(huì)有因?yàn)檩斎腚娙葺^遠(yuǎn)或者地線較遠(yuǎn)引入較大的ESL在輸入端引起較大的尖峰，導(dǎo)致芯片供電異常或者芯片MOSFET過(guò)壓擊穿。

2.2輸出電容選型

關(guān)于Buck電源的輸出電容的容值如何計(jì)算？

輸出濾波電容值可通過(guò)計(jì)算得到，但是一般在選擇電容值的時(shí)候通常會(huì)選擇1.2-2倍計(jì)算出的電容值或選擇更大的電容量，在PCB面積允許的條件下最好多個(gè)電容并聯(lián)。由于輸出濾波電容和輸出電感會(huì)形成兩個(gè)極點(diǎn)，這會(huì)導(dǎo)致電路輸出不正常，具體表現(xiàn)為輸出紋波較大、輸出上升沿有強(qiáng)烈的振蕩等。所以在選擇電容值的時(shí)候也要適當(dāng)考慮電感值。由JW5359M數(shù)據(jù)手冊(cè)可知輸出電容和公式2相關(guān)：

公式2:

L為輸出濾波電感，RESR為輸出電容器的等效串聯(lián)電阻值，COUT為輸出電容值。故根據(jù)輸出紋波的要求可大致得到輸出電容的大小，在選擇電容的時(shí)候一般都會(huì)選擇電容值更大點(diǎn)的電容。對(duì)于開(kāi)關(guān)電源模塊，電源自身會(huì)產(chǎn)生和開(kāi)關(guān)頻率一致的電源紋波，始終疊加在電源上輸出。輸出紋波也會(huì)由輸出電容的內(nèi)阻所引起，不斷的給輸出電容充放電，充電電流在輸出電容的內(nèi)阻RESR兩端就會(huì)有壓降，這個(gè)就會(huì)產(chǎn)生輸出紋波，所以在選擇輸出電容的時(shí)候盡量選擇RESR較小的貼片陶瓷電容而不是電解電容，選擇幾個(gè)電容并聯(lián)也是為了降低輸出內(nèi)阻。控制回路的響應(yīng)較快（COT），開(kāi)關(guān)頻率較高，或者負(fù)載變化不大的場(chǎng)合用瓷片電容即可。本模塊選擇兩個(gè)22uF/6.3V的貼片陶瓷電容并聯(lián)，可以減小RESR。△Vout計(jì)算約11mV。

3電感選型

【開(kāi)關(guān)電源系列】Buck電路選擇輸出電感

輸出電感的主要作用是用來(lái)穩(wěn)定輸出電流以及儲(chǔ)能，輸出電感和輸出電容組成的LC濾波電路主要用來(lái)平滑輸出電壓，使輸出電壓是一個(gè)穩(wěn)定的直流。在選擇輸出電感的時(shí)候，除了要考慮電感值的大小外更要考慮電感所能抑制的電流值。對(duì)于BUCK開(kāi)關(guān)變換器的輸出電感的電流額定值最少是1.2倍的輸出電流。電感電流額定值最少為超過(guò)負(fù)載電流的30%。對(duì)于大多數(shù)的設(shè)計(jì)，電感值可由公式3得到:

公式3:

△IL為電感的斜坡電流，其大小一般為電感電流最大值的30%。根據(jù)手冊(cè)選擇電感為3.3uH 。我們用的是NR5040-3.3UH，其額定電流可達(dá)3.4A。

4、電阻選型

反饋部分電阻的選擇，JW5359M通過(guò)外接反饋電阻形成一個(gè)閉環(huán)的電路，從而使輸出穩(wěn)定在3.3V。通過(guò)R3和R4的分壓得到反饋電壓，F(xiàn)B感知輸出電壓，并由控制回路調(diào)節(jié)到0.765V。在FB處連接一個(gè)電阻式分頻器。數(shù)據(jù)手冊(cè)中推薦R4的大小在16KΩ左右，本模塊選擇16KΩ。故R3可由公式4得:

公式4：

由于Vout=3.3V，選擇R3=53KΩ。通?？紤]到未來(lái)相位裕量和響應(yīng)速度的調(diào)整，可以根據(jù)規(guī)格書的推薦預(yù)留前饋電容C5的位置。

使能電阻R1、R2的選擇。EN引腳用來(lái)控制芯片是否工作，當(dāng)VIN降至預(yù)設(shè)值時(shí)，EN降至1.05V以下以觸發(fā)輸入欠壓鎖定保護(hù)。根據(jù)手冊(cè)推薦R1和R2選擇100KΩ。

5、最終原理圖：

6、 Layout設(shè)計(jì)

（1） VCC電容應(yīng)就近放置在芯片的VCC管腳和芯片的信號(hào)地之間，盡量在一層，沒(méi)有過(guò)孔對(duì)于信號(hào)地（AGND）和功率地PGND在一個(gè)管腳的芯片，同樣就近和該管腳連接以減少寄生電感的存在，因?yàn)檩斎腚娏鞑贿B續(xù)，寄生電感引起的噪聲對(duì)芯片的耐壓以及邏輯單元造成不良影響。高頻環(huán)路的環(huán)路越小，磁場(chǎng)能量越小。如圖2.1