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【我是工程师第三季】99%效率高功率密度电源挑战设计分享

先来说说设计这款电源的背景:

应朋友的需求,设计一个笔记本用车载电源,同时需要支持独显笔记本,输入电压为DC19V。

于是,初定规格为:

输入:DC12V(10~15V)

输出:DC19V/5A(按约100W来定义的电流)

体积当然是越小越好了。。。

在淘宝上搜得了一款外壳,淘回来实测尺寸为:L59.8mm*W36.0mm*H16.9mm

根据内尺寸预留单边0.2~0.3mm间隙,PCB尺寸为L50.0*W30.5mm

于是就开始设计了。。。。

初定目标效率99%,下面报告下最近的进度:

实物图:


尺寸只有2枚硬币的大小哦。

上周刚采用是德科技新发布的DSOX1102G示波器进行了环路调试,调试心得在“是德征文”活动中做分享:

链接:

http://www.dianyuan.com/bbs/1539174.html


是德征文活动链接:

http://www.dianyuan.com/bbs/1537870.html

DSOX1102G的诱惑力很大,所以昨天我已经发了一帖,还望大家多多交流:

http://www.dianyuan.com/bbs/1539145.html

关于DSOX1102G示波器的测评请看:

http://www.dianyuan.com/bbs/1538956.html


环路的优化进一步提高了这款电源的稳定性,同时效率提升了0.13%,目前的效率达到了98.36%

接下来的准备采用英飞凌最新的第5代MOSFET,看看效率的提升。

调试过程中也遇到了些小插曲,稍后整理下做详尽的分享。。。


。。。。。。下接第13帖。。。。。。

(哈哈,打个预防针,不要问用的什么方案,你可以猜,或者等到第100楼公布

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2017-03-04 12:16
前排强势占沙发
0
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jiame2006
LV.7
3
2017-03-04 12:17

不错,期待分享。

输入电压为DC19V。”这里是否是输出电压?输入一般12V。

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2017-03-04 12:32
@jiame2006
不错,期待分享。“输入电压为DC19V。”这里是否是输出电压?输入一般12V。
笔记本输入19V,所以车载电源的输出是19V
0
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2017-03-04 12:57
多相交错boost?
0
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2017-03-04 13:53
@夜的第七章
多相交错boost?
100W不到,没必要多相吧,又不是1V输出的那种BUCK
0
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2017-03-04 16:23
这效率,牛逼,只是没短路保护啊,这个怎么破
1
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2017-03-04 16:27
@xd285070
这效率,牛逼,只是没短路保护啊,这个怎么破[图片]
必须有啊,尽在一颗Fuse搞定
1
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2017-03-04 23:35
太牛了,膜拜
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2017-03-05 17:14
@javike
100W不到,没必要多相吧,又不是1V输出的那种BUCK
同步整流?
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ghsdwf
LV.6
11
2017-03-06 08:50
@夜的第七章
多相交错boost?
从PCB布线和效率99%的需求看,应该是同步Boost
0
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pads2005pcb
LV.7
12
2017-03-06 15:18
@bluesky5417
太牛了,膜拜
没看到测试数据
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2017-03-07 10:34

。。。。。。上接第1帖。。。。。。


先说说插曲吧

从手机里翻出了当时用手机随手拍的一张照片


对比前后照片,除了不能分辨参数修改的小电阻、电容、MOSFET外,大电容和电感可以很容易分辨出来


先说是大电容吧

第1版的大电容用的AVX的MLCC,原本认为起高频特性比较好,很合适。

但上电测试后非常失望:

输出19V5A带载2个小时,输出的2颗MLCC温度达到120+度(环境温度17-18度)

而效率只有不到94%

在超载120%负载测试中(19V/6A),MLCC爆掉了。


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2017-03-07 10:36
@javike
。。。。。。上接第1帖。。。。。。先说说插曲吧从手机里翻出了当时用手机随手拍的一张照片[图片]对比前后照片,除了不能分辨参数修改的小电阻、电容、MOSFET外,大电容和电感可以很容易分辨出来先说是大电容吧第1版的大电容用的AVX的MLCC,原本认为起高频特性比较好,很合适。但上电测试后非常失望:输出19V5A带载2个小时,输出的2颗MLCC温度达到120+度(环境温度17-18度)而效率只有不到94%在超载120%负载测试中(19V/6A),MLCC爆掉了。[图片]

上2张MLCC的照片:

(请注意:以下照片比较血腥,可能引起部分人群不适




输出的2颗MLCC是前仆后继的节奏爆掉

而且动作还比较慢,能看出电容从左端开始爆裂,然后延伸到右端。

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2017-03-07 10:40
@javike
上2张MLCC的照片:(请注意:以下照片比较血腥,可能引起部分人群不适[图片])[图片][图片]输出的2颗MLCC是前仆后继的节奏爆掉而且动作还比较慢,能看出电容从左端开始爆裂,然后延伸到右端。

接下来对LCR进行预热2小时,

自校正后测试手里全新的MLCC样品


通常高频电容的测试频率都是按1KHZ测量,而这款电源的工作频率为500KHZ左右,

所以LCR设置从1KHZ开始扫频到1MHZ,重点扫频几百KHZ段。

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2017-03-07 10:41
@javike
接下来对LCR进行预热2小时,自校正后测试手里全新的MLCC样品[图片]通常高频电容的测试频率都是按1KHZ测量,而这款电源的工作频率为500KHZ左右,所以LCR设置从1KHZ开始扫频到1MHZ,重点扫频几百KHZ段。

MLCC的规格为107/25V,X7R,2220封装

从测试数据来看,偏差有点大,但基本还算是MLCC的特征,找代理买来的样品,应该不是水货吧。

元芳,你怎么看??

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2017-03-07 17:37
@javike
MLCC的规格为107/25V,X7R,2220封装从测试数据来看,偏差有点大,但基本还算是MLCC的特征,找代理买来的样品,应该不是水货吧。元芳,你怎么看??

把MLCC电容换成钽电容后,温升都成次要的了,主要是效率

输出电容换了后,效率提升明显,然后毫不犹豫的把输入的MLCC也换了

效率直接提升至97.77%了,提升了整整4个点。

那么在看看钽电容的扫频参数



那么你看出问题来了吗?


。。。。。。下接第20帖。。。。。。

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tallmancyh
LV.3
18
2017-03-08 09:56
@javike
把MLCC电容换成钽电容后,温升都成次要的了,主要是效率输出电容换了后,效率提升明显,然后毫不犹豫的把输入的MLCC也换了效率直接提升至97.77%了,提升了整整4个点。那么在看看钽电容的扫频参数[图片]那么你看出问题来了吗?。。。。。。下接第20帖。。。。。。
网上说钽电容失效会着火哦,是不是用固态电容好点?
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2017-03-08 10:30
@tallmancyh
网上说钽电容失效会着火哦,是不是用固态电容好点?

钽电容失效一般是由于焊接不当造成的。

固态电容的高频特性比钽电容还是差点吧,而且体积也不小。

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2017-03-09 10:09

。。。。。。上接第17帖。。。。。。



先来看看更换电容后的温升状况:




环温15度满载5A测试2小时的温升曲线

虽然电容的温升下降明显了,但感觉还是有些高,不过最高的是MOSFET,当然也极有可能是MOSFET传导过来的温度。

同时效率还需要提升。




再看看接着带载120%的情况:



带载120%(6A)虽然能稳定的工作,但MOSFET和输出电容温度都100+了。



接下来首当其冲的就是改善MOSFET温升。

不过温升测试时发现电感有些噪音。

由于之前还没有拿到DSOX1102G,所以环路就没法测试

于是。。。。

就把电感给拆了:


哦去,居然是铜线绕的。

接下来砸开了好几款不同国产品牌的电感,

发现这些电感多数都是用铜线绕制的。有2根0.3mm或0.35mm并绕的,有单根0.5mm绕的,标称频率都能到1MHz

难道趋肤效应对它不管用?


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tankchen
LV.4
21
2017-03-09 17:22
@javike
。。。。。。上接第17帖。。。。。。先来看看更换电容后的温升状况:[图片]环温15度满载5A测试2小时的温升曲线虽然电容的温升下降明显了,但感觉还是有些高,不过最高的是MOSFET,当然也极有可能是MOSFET传导过来的温度。同时效率还需要提升。再看看接着带载120%的情况:[图片]带载120%(6A)虽然能稳定的工作,但MOSFET和输出电容温度都100+了。接下来首当其冲的就是改善MOSFET温升。不过温升测试时发现电感有些噪音。由于之前还没有拿到DSOX1102G,所以环路就没法测试于是。。。。就把电感给拆了:[图片]哦去,居然是铜线绕的。接下来砸开了好几款不同国产品牌的电感,发现这些电感多数都是用铜线绕制的。有2根0.3mm或0.35mm并绕的,有单根0.5mm绕的,标称频率都能到1MHz难道趋肤效应对它不管用?
电感是储能元件,本身并不消耗能量,电感的设计本身就局限了能储多少的能量,自然的就能取走多少的能量.
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2017-03-10 17:13
@javike
。。。。。。上接第17帖。。。。。。先来看看更换电容后的温升状况:[图片]环温15度满载5A测试2小时的温升曲线虽然电容的温升下降明显了,但感觉还是有些高,不过最高的是MOSFET,当然也极有可能是MOSFET传导过来的温度。同时效率还需要提升。再看看接着带载120%的情况:[图片]带载120%(6A)虽然能稳定的工作,但MOSFET和输出电容温度都100+了。接下来首当其冲的就是改善MOSFET温升。不过温升测试时发现电感有些噪音。由于之前还没有拿到DSOX1102G,所以环路就没法测试于是。。。。就把电感给拆了:[图片]哦去,居然是铜线绕的。接下来砸开了好几款不同国产品牌的电感,发现这些电感多数都是用铜线绕制的。有2根0.3mm或0.35mm并绕的,有单根0.5mm绕的,标称频率都能到1MHz难道趋肤效应对它不管用?

测一下这颗电感的参数:



之后果断更换为威世5050的电感


再看看威世5050的扫频数据:



威世的电感感量相对稳定些,但更大的差异是Q值

不过换电感的效果改善不是很大,仅提升了0.1%的效率。

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2017-03-13 10:34
@javike
测一下这颗电感的参数:[图片]之后果断更换为威世5050的电感再看看威世5050的扫频数据:[图片]威世的电感感量相对稳定些,但更大的差异是Q值不过换电感的效果改善不是很大,仅提升了0.1%的效率。

MOSFET是温升最高的,所以毫无疑问就得在MOSFET上动手了

由于当时没有买到optiMOS TM5,所以最开始采用的是optiMOS TM3的BSC042N03LS

这颗MOSFET在VGS=4.5V时Rds_on=6.5mRQg和Ciss也不算太大,而且价格便宜


接下来换成Rds_on和Ciss小近一半的BSC0902NSI,不过这颗MOSFET仅属于optiMOS 1代的产品。

试试效果:


环境温度稍高一点点,但元器件的温升都有明显下降。


再看看继续加载120%(6A)负载测试:



温升虽然还不算满意,但效率也得到明显的提升,效率此时达到了98.23%,

加上上面更换电感提升的0.1%,效率提升了0.46%

当然,之后有了DSOX1102G后对环路进行优化

效率再次提升了0.13%,达到了98.36%


接下来还得在MOSFET上下功夫了,optiMOS TM5的样品已经到了

抽空再换上测试


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2017-03-14 14:51
@javike
MOSFET是温升最高的,所以毫无疑问就得在MOSFET上动手了由于当时没有买到optiMOSTM5,所以最开始采用的是optiMOSTM3的BSC042N03LS这颗MOSFET在VGS=4.5V时Rds_on=6.5mRQg和Ciss也不算太大,而且价格便宜接下来换成Rds_on和Ciss小近一半的BSC0902NSI,不过这颗MOSFET仅属于optiMOS1代的产品。试试效果:[图片]环境温度稍高一点点,但元器件的温升都有明显下降。再看看继续加载120%(6A)负载测试:[图片]温升虽然还不算满意,但效率也得到明显的提升,效率此时达到了98.23%,加上上面更换电感提升的0.1%,效率提升了0.46%当然,之后有了DSOX1102G后对环路进行优化效率再次提升了0.13%,达到了98.36%接下来还得在MOSFET上下功夫了,optiMOSTM5的样品已经到了抽空再换上测试

更好MOSFET之后的效率测试:


(19.1402*5.01608)/(12.0050*8.09066)=98.8473%


有空再测下温升情况。

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H-power
LV.8
25
2017-03-15 11:03
@javike
上2张MLCC的照片:(请注意:以下照片比较血腥,可能引起部分人群不适[图片])[图片][图片]输出的2颗MLCC是前仆后继的节奏爆掉而且动作还比较慢,能看出电容从左端开始爆裂,然后延伸到右端。

MLCC不会起火吗?钽电容如果这样子会烧火的

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hjxz001
LV.2
26
2017-03-27 11:36
@javike
把MLCC电容换成钽电容后,温升都成次要的了,主要是效率输出电容换了后,效率提升明显,然后毫不犹豫的把输入的MLCC也换了效率直接提升至97.77%了,提升了整整4个点。那么在看看钽电容的扫频参数[图片]那么你看出问题来了吗?。。。。。。下接第20帖。。。。。。
楼主,问题是 钽电容500K的时候只剩371nF,这么低的容量了  还够用?没明白你说的换成钽电容,效率提升明显的原因
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2017-03-27 13:18
@hjxz001
楼主,问题是钽电容500K的时候只剩371nF,这么低的容量了 还够用?没明白你说的换成钽电容,效率提升明显的原因

电容在高频下容量下降是肯定的,至于够用不够用,我换上后温升明显降低,效率明显上升,这就是最好的证明了。

至于为什么会这样,除了MLCC的容压效应外,焊接上我已经非常注意了,暂时我也没找到其他原因。

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漫步_xxw
LV.2
28
2017-04-21 08:40
@javike
。。。。。。上接第17帖。。。。。。先来看看更换电容后的温升状况:[图片]环温15度满载5A测试2小时的温升曲线虽然电容的温升下降明显了,但感觉还是有些高,不过最高的是MOSFET,当然也极有可能是MOSFET传导过来的温度。同时效率还需要提升。再看看接着带载120%的情况:[图片]带载120%(6A)虽然能稳定的工作,但MOSFET和输出电容温度都100+了。接下来首当其冲的就是改善MOSFET温升。不过温升测试时发现电感有些噪音。由于之前还没有拿到DSOX1102G,所以环路就没法测试于是。。。。就把电感给拆了:[图片]哦去,居然是铜线绕的。接下来砸开了好几款不同国产品牌的电感,发现这些电感多数都是用铜线绕制的。有2根0.3mm或0.35mm并绕的,有单根0.5mm绕的,标称频率都能到1MHz难道趋肤效应对它不管用?

超牛的版主,佩服!

不知道版主用的什么IC设定在多少的开关频率啊,这个效率杠杠的,可惜没有观察到版主的MOS开关信号

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yanshuyin
LV.4
29
2017-04-21 16:34
没电解电容不行吧,之前做有一款5V4A的,上电直接烧坏电容。恐怖。。。。。。
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2017-04-23 19:06
@yanshuyin
没电解电容不行吧,之前做有一款5V4A的,上电直接烧坏电容。恐怖。。。。。。
不需要电解的电容的,而且电解电容跑这么高频率也不行了。
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2017-04-23 19:07
@漫步_xxw
超牛的版主,佩服!不知道版主用的什么IC设定在多少的开关频率啊,这个效率杠杠的,可惜没有观察到版主的MOS开关信号

500K

好的,波形后面补上

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