一個研究生工程師設(shè)計的DC-DC降壓調(diào)節(jié)器

在一些項目合作過程中，經(jīng)常有一些高校的合作項目，學生和畢業(yè)生們提出了很多問題，問他們可以做些什么來提高自己的技能，并證明自己的價值。我建議做一些有助于鞏固他們技能和展示他們設(shè)計經(jīng)驗的項目——我寫了一篇文章，里面有關(guān)于開始項目的建議和一些項目想法。在本文中，我們將研究該項目中某個電源的實現(xiàn)。

我想既然我設(shè)計了幾百個切換模式電源，我只是瀏覽一下設(shè)計，可能不會像設(shè)計電源時遇到的陷阱或問題那樣具有教育性或信息性。它們表面上看起來微不足道-加上幾個電容，集成電路，電感和一些電阻，對嗎？然而，開關(guān)電源的電流回路和元件選擇是非常重要的。我認為，聘請一位在電源設(shè)計方面沒有太多經(jīng)驗的剛畢業(yè)的電子工程師，讓他按照學生項目創(chuàng)意文章中列出的要求來設(shè)計電源，這樣會更有意思。

你可以在我的網(wǎng)站上找到這個項目的最終PCB設(shè)計 github頁；它是在麻省理工學院的開源許可下發(fā)布的。由于這個設(shè)計是由別人完成的，所以原理圖樣式與我通常的項目略有不同。您還可以在我廣泛的開源代碼中找到此設(shè)計中使用的所有組件天體高度設(shè)計師圖書館 .

任務(wù)是設(shè)計一個獨立的DC-DC降壓變換器. 對任何對電子產(chǎn)品感興趣的人來說，理解和設(shè)計一個電壓源是一項至關(guān)重要的技能，從業(yè)余愛好者/制造商水平到全職專業(yè)人士。切換電源因此，它們通常不需要高效率的線性供應(yīng)。實現(xiàn)一個開關(guān)模式電源如前所述比線性電源更復雜-有了線性電源，你不會真的出錯。

電源要求：

• 輸入電壓7.0~14.0V

• 輸出電壓5.0V

• 輸出電流1.0A

這是墻壁電源適配器到5V電源的典型要求。你可能有一個電源適配器，用于你家周圍不再需要的設(shè)備，如果你沒有實驗室電源，你可以用它來測試。你也可以用9V電池供電。輸入范圍從7到14伏提供了廣泛的兼容性與各種墻壁電源以及不同的電池化學。

5V是一種非常常見的輸入電源要求，尤其是通過USB電纜供電時。1A的輸出電流足以滿足您可以構(gòu)建的大多數(shù)輕負載獨立項目。

我離開了這位研究生工程師，決定他將如何實現(xiàn)電源，唯一的限制是組件應(yīng)該可以從像DigiKey和Mouser這樣的主要電源上隨時可用。用不易獲得的組件來構(gòu)建電源沒有多大意義！

他選擇了以德州儀器TPS561208DDCR. 該buck變換器集成電路具有4.5V～17V的輸入電壓和0.76v～7V的可調(diào)輸出電壓和1A的最大輸出電流，很容易滿足要求。此外，這種集成電路還滿足了隨時可用的其他要求，因為它可以從所有主要的分銷商那里購買。

在這一點上，我會注意到，當設(shè)計一個1A電源時，我通常會選擇在一個具有更高額定電流的IC周圍設(shè)計一個電源，所以我的電路的最大額定功率仍然在調(diào)節(jié)器IC的范圍內(nèi)。這在現(xiàn)實中不應(yīng)成為問題，因為有一些能力將供應(yīng)推高到其評級之外，但我試圖在任何時候都不要在其評級的邊緣運行任何IC。

除了要求零部件庫存充足外，還應(yīng)盡量避免使用帶有“不推薦用于新設(shè)計”、“NRND”、“不再可用”或“過時”標簽的部件。這些標簽意味著這些部件或已接近或已處于其生產(chǎn)壽命的末期，如果制造尚未停止，則可能不會在近期內(nèi)制造。當你的能源供應(yīng)可能會在有限的時候被重新設(shè)計，而你的能源供應(yīng)可能仍然是有限的。這種重新設(shè)計和重新認證可能非常昂貴和耗時，可能會使您設(shè)計的產(chǎn)品處于無望狀態(tài)，沒有任何庫存可供出售，或無法制造更多單元。

如果要檢查組件的可用性，可以單獨檢查每個分銷商的庫存或使用 八達通一次檢查它們。八分之一 ?將允許您查看組件在全球的庫存情況，以便您可以了解庫存水平和訪問庫存。

在我們深入研究這位畢業(yè)生所從事的工作之前，我將提到，大多數(shù)德州儀器監(jiān)管機構(gòu)都可以在Web Bench中找到。這個在線平臺將為您計算一個示意圖，以滿足您的要求。雖然直接實現(xiàn)它可能會非常誘人，但值得注意的是，在webbench上使用的模擬和模型在過去就存在問題。如果在電路設(shè)計的任何方面使用任何計算工具，并根據(jù)其中包含的規(guī)范和公式進行計算，則應(yīng)閱讀數(shù)據(jù)表。這不僅可以讓您再次檢查計算的設(shè)計，還可以讓您再次檢查數(shù)據(jù)表，還可以更深入地了解調(diào)節(jié)器的工作原理。了解為什么要使用某個值或額定電流的元件，對于理解調(diào)節(jié)器的工作原理以及可能存在的布局考慮因素至關(guān)重要。

作為TPS561208原理圖設(shè)計的第一步，選擇輸出電壓電阻器將輸出電壓設(shè)置為5V。電阻可通過以下公式計算：

如果計算微分方程不是你的強項，你可能會喜歡符號計算器它提供了一步一步地解方程或使用知識引擎 .

選擇合適的電阻值可能很有挑戰(zhàn)性，因為選擇較低的電阻值意味著轉(zhuǎn)換器不太容易受到噪聲的影響。同時，輕載時的效率也會降低。R2電阻器的值從數(shù)據(jù)表中的推薦表中選擇為10k歐姆，然后根據(jù)以下公式計算R1值：

由于55.104k歐姆電阻不是標準值，因此選擇了56.2千歐的電阻值，這為我們提供了5.08伏的輸出。

輸出電壓電阻器

這個數(shù)據(jù)表建議輸入電容器為10 uF或更大，因此選擇了22 uF的電容器，因為許多9V壁裝適配器噪音很大。

輸入電容器

電感器的選擇會變得相當復雜，因此該值是從推薦的元件值表中選擇的：

推薦組件值表

不過，別忘了選擇額定飽和電流和額定電流1A以上的電感器，這樣電感值就穩(wěn)定了，并且保證電感器不會過熱。通常，數(shù)據(jù)表還將包含一個計算通過電感器的電流的公式，因為電路上的負載不一定是電感器這可能是選擇正確組件時的一個關(guān)鍵因素。

畢業(yè)生也選擇了推薦的輸出電容器數(shù)據(jù)表中表中的值。對于穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換器，建議輸出電容在20-68uF之間。在本設(shè)計中，選用了單一的中值47uF電容器。我喜歡他穩(wěn)妥行事，遵循數(shù)據(jù)表的建議。大多數(shù)主要的供應(yīng)商，如德州儀器和模擬設(shè)備，已經(jīng)對他們的設(shè)備進行了廣泛的測試，并在他們的數(shù)據(jù)表中提供了優(yōu)秀的建議。當談到電源設(shè)計時，您應(yīng)該對功能有很好的理解，并有充分的理由偏離數(shù)據(jù)表中的建議。例如，如果電源上的負載變化很快，您可能會選擇增加顯著更高的電容。

除了輸入和輸出電容器外，還需要一個自舉電容器才能正常工作。制造商建議0.1 uF陶瓷電容器的值。

最后要選擇的是連接器。有各種各樣的連接器可供選擇，以滿足市場上的每一個需要。畢業(yè)生決定仔細研究天體圖書館為了找到一個他喜歡的，因為沒有對連通性的要求，他選擇了TE connectivity的2針接線板，使連接電線和測試電路板變得容易。接線板也很容易找到，而且其他接線板連接器（通常間距2.54 mm）也可以輕松替換。我也會同樣高興的是一個USB類型的a型連接器的輸出；然而，接線盒確實使測試更加容易。

TPS561208DDCR降壓變換器設(shè)計原理圖

我沒有向我的研究生工程師提供任何關(guān)于PCB設(shè)計，而且他在原理圖設(shè)計方面進展很好，沒有陷入任何陷阱，所以我有興趣看看他是如何進行PCB設(shè)計的。PCB設(shè)計是一個很快就會出錯的切換模式設(shè)計。當我第一次學習如何設(shè)計電源時，我確實犯了一些錯誤，導致電源極不穩(wěn)定，似乎沒有任何理由會燒壞自己——然而，原因是電路板布局不好。開關(guān)電源如果供應(yīng)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，供應(yīng)是不可饒恕的，當事情開始變得可怕時，它們會很快地讓魔法煙霧逸出。

他的第一塊板子設(shè)計看起來很美，很緊湊，從左到右都很漂亮……但可能表現(xiàn)不佳。

研究生工程師設(shè)計的PCB

雖然PCB看起來不錯，但它有幾個問題：

1. 不遵循數(shù)據(jù)表中推薦的布局和設(shè)計提示。德州儀器公司通常在其數(shù)據(jù)表中提供廣泛的布局建議，應(yīng)該予以關(guān)注。您可能認為數(shù)據(jù)表中的布局建議針對的是經(jīng)驗較少的工程師，但您可以忽略這些建議，后果自負。這個建議通常是非常合理的，它會讓你走上一條通往完美布局的道路，即使它不是特別適合你想要的板形狀/面積。

數(shù)據(jù)表中PCB的布局示例

1. 電感器和電流回路的開關(guān)路徑未正確布線，這可能導致過度串擾和電磁干擾問題。開關(guān)電流環(huán)布局電壓調(diào)節(jié)器會極大地影響您的性能，超出調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性，并導致調(diào)節(jié)器是PCB上最嘈雜的東西。這是一個讓你失望的好方法EMC認證和樣式，并發(fā)送您回來創(chuàng)建一個新的董事會修訂，以修復問題。

第一個通路設(shè)計中的兩個電流回路，輸入（藍色）和輸出（紅色）如下所示：

我第一臺DC-DC buck變換器的輸入輸出電流環(huán)設(shè)計

出于電磁兼容的目的，通過調(diào)節(jié)器的電流通路應(yīng)盡可能短。在本設(shè)計中，輸出電流路徑過長。這將導致額外的噪音，開關(guān)串擾以及電磁干擾問題。電流回路應(yīng)盡可能短和寬，以盡量減少輻射****。

糾正PCB、 我的主要建議是再去看DataSheet，研究電流如何在建議的布局中流動。水流以一種圓形的方式流動，而不經(jīng)過它自身，提供了一個循環(huán)的水流，而不是一個穿越自身的風景優(yōu)美的迂回道。這其中的一部分是確保從集成電路到關(guān)鍵部件（如前面提到的輸入和輸出電容器以及電感器）的最短路徑。電容器的接地端接應(yīng)盡可能靠近調(diào)節(jié)器IC的接地，正極電壓引腳也應(yīng)如此。

我還建議在不依賴多邊形的情況下路由每個軌跡，然后將多邊形放置在這些軌跡的頂部。通過路由跟蹤首先手動操作，你可以可視化并對當前路徑的位置有一個很好的感覺。這在地面網(wǎng)絡(luò)上是最關(guān)鍵的，因為我發(fā)現(xiàn)許多經(jīng)驗不足的工程師會添加一個地面澆灌，并假設(shè)一切都是好的，而不考慮他們的地面是如何連接或流動的。

布局修正的第一步是正確放置組件。組件布局取自推薦的DataSheet布局，稍作修改以適應(yīng)所選組件。

按照DataSheet推薦的布局和設(shè)計提示放置組件

第二步是手動布線所有走線，而不放置多邊形（甚至地面）。這一步需要跟隨電流流過輸入輸出回路和電路。通過這種方式，您可以看到回路的長度以及電流流向：

手動布線PCB

手動布線后，可以檢查當前回路：

雖然輸入回路沒有改變太多，但是輸出回路的變化卻得到了很大的改善

這使得布局更加實用。

第三步是在輸入和輸出回路中添加多邊形，以便實現(xiàn)盡可能低的阻抗：

添加到輸入和輸出電流回路的多邊形

最后，將頂層和底層地平面添加到設(shè)計中。網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被手動布線，所以我們知道他的設(shè)計將有一個良好的接地電流路徑-多邊形只是增加了更多的容量和屏蔽。

降壓穩(wěn)壓器合理布局的PCB設(shè)計

PCB適當降壓電壓調(diào)節(jié)器布局的3D視圖

校正PCB布局后，輸出電流回路變小，輸入和輸出電流回路都朝向同一方向：

一個簡單的DC-DC降壓變換器的設(shè)計并不像在電路中加入一個線性調(diào)節(jié)器那么簡單。錯誤的元件選擇或布局可能會給您的PCB帶來額外的噪音、過量的電磁輻射，最壞的情況是，在某些負載條件下性能不佳或瞬間燒毀的不穩(wěn)定調(diào)節(jié)器。

在設(shè)計可調(diào)輸出電壓調(diào)節(jié)器的原理圖時，需要明智地選擇輸出分壓器。為分壓器選擇高電阻值將提高調(diào)節(jié)器輕載時；然而，對噪聲的敏感性會增加。選擇低電阻值的效果則相反。

輸入電容器的選擇可能相當復雜，要考慮輸入電源電壓紋波和噪聲，以及調(diào)節(jié)器的電流需求，特別是這些需求變化的速度。輸入電容器還會影響電源電壓上的傳導噪聲水平，如果傳導到電纜中，可能會導致EMC認證的挑戰(zhàn)。

開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)器的電感器選擇是非常關(guān)鍵的，確保它不會飽和，并且具有正確的電感以確保高效運行。相位裕度和其他技術(shù)方面也可以發(fā)揮作用，并影響調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性，但這可能是一篇深入文章的主題。

輸出電容器的類型和參數(shù)對輸出電壓軌上的傳導噪聲有重要影響。使用錯誤的電容器類型可能會提供大量的電容，但仍然會在輸出上提供非常高的電壓紋波，而沒有太多平滑。

PCB的布局對buck變換器也很重要。為電流回路保持盡可能短和寬的跡線。確保輸入和輸出電容器的兩個引腳都有一個容易的路徑回到調(diào)節(jié)器。電流回路應(yīng)該是短的，圓形的，并在同一方向流動，以減少電磁干擾。