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发个webench的设计实例,有图,有实物

  • 2013-07-29 09:17
  • rj44444

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  • 大约是四月份,网上有人要我设计一款车充,输入是10--14V,输出恒压12V,最大电流3.5A,用于车充平板电脑。当时,我脑袋里迅速想到了两种电路结构,一种是sepic,一种便是四开关的buck-boost。对于sepic,需要两个电感,而对于四开关的buck-boost,非同步整流的需要两个mosfet,而同步整流的需要四个mosfet,并且,同步整流的,似乎只有linear有,并且价格是天价,再看非同步的,结构也不简单,并且,控制IC的成本也不低。所以,只好选sepic了。

    之前没有做过sepic 的结构,于是网上搜索一下,大概弄清楚了基本原理,接下来就是选芯片了。对方希望的bom成本低于20元,这个在我看来算是定位比较高的了,于是,我决定去TI看看。进了TI的主页,我看见了右下角的在线设计软件,这个软件我似乎与当年NS官网的有些相似,但是NS当时似乎只针对LMZ系列的易电源。我抱着试试看的想法,输入了我的设计要求,就是下面这个样子

     

    然后点击start design,就出现了下图的各个方案选项,当时有点惊奇,因为电路图、效率、占板面积和成本都给出来了,不过更让人惊喜的还在后面:

     

    方案似乎是按照bom成本从低到高依次排列的,第一个是LM5022构成的耦合电感sepic,但是软件计算的效率只有83%,这么大功率下,这个效率太低了,发热肯定是不能接受的,并且,耦合电感难以选到标准件,定制会是件麻烦的事情。于是继续往下看,看到了LM3478和LM3488构成的非耦合电感sepic方案。尽管在bom成本里面,3478比3488要高,但是必须说明,看这个bom成本意义不大,因为我们虽然选用了TI的控制芯片,但是不见得(不是不见得,是肯定不会)选用方案推荐的器件,所以,我只对比一下3478和3488的供货情况以及批量成本。最后得知,3478货源不错(我如何得知的就不便透露了),批量1K的话,不到RMB4元。大家可能觉得有点贵,20不到的总方案成本,控制IC就占了4元。但是确实很多时候是这样的,4块对于国产的IC那是天价,不过对于TI这种一线品牌的,算是中等价格吧。

    同是电子工程师,请一定不要吝啬你的赞!

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  • 兰波

    LV.1

    2013-07-29 10:08

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    友情提示:webench设计工具你可以在这个页面找到,有个“开始设计”:


    另外,我们正在举行一个活动,Webench设计大赛,大家可以顺便参与一下:

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  • rj44444

    LV.1

    2013-07-29 10:12

    @

    刚刚写了好多,点错了关闭页面,没有保存。。。只能重新继续了。。。

    于是点开LM3478的方案,电路图、效率曲线、工作参数和BOM清单都出来了。对于这种大电流的DCDC,我比较在意的是电感的选取,因为要选到价格合适,货源不错的电感,确实有不小的难度。点开电路图,鼠标放在电感上,参考设计中电感的详细规格就出来了。

     

    一看是coilcraft的,基本不用考虑了,一是价格贵,二是货源不好找。于是点开BOM清单,发现右侧有一个select alternate part,找到电感,点开一看,都是些很眼熟的国外品牌,他们有一个共同特点,就是价格太高,所以不予考虑了,还是根据参数,去国产电感里面选吧。有人问:为什么不用磁环电感?回答是,这么高频率下,要用到铁硅铝或者红灰磁环,这两者价格都不低,并且还要定制。 

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  • rj44444

    LV.1

    2013-07-29 10:29

    @rj44444

    刚刚写了好多,点错了关闭页面,没有保存。。。只能重新继续了。。。

    于是点开LM3478的方案,电路图、效率曲线、工作参数和BOM清单都出来了。对于这种大电流的DCDC,我比较在意的是电感的选取,因为要选到价格合适,货源不错的电感,确实有不小的难度。点开电路图,鼠标放在电感上,参考设计中电感的详细规格就出来了。

     

    一看是coilcraft的,基本不用考虑了,一是价格贵,二是货源不好找。于是点开BOM清单,发现右侧有一个select alternate part,找到电感,点开一看,都是些很眼熟的国外品牌,他们有一个共同特点,就是价格太高,所以不予考虑了,还是根据参数,去国产电感里面选吧。有人问:为什么不用磁环电感?回答是,这么高频率下,要用到铁硅铝或者红灰磁环,这两者价格都不低,并且还要定制。 

    返回到主页面,点dv/dt选项,出来的就是各个器件的工作参数。对于电感,最重要的参数就是峰值电流和RMS电流,要确保峰值电流小于饱和电流,然后根据RMS电流看电感的铜线电流密度是否合适。参数表格里面给出了我们希望的各项参数,只需要对照电感规格书选择就是了。一开始我选择了常见的12*12*7mm的方形贴片功率电感,根据某厂商的规格书,对于输入6.8uH的输入电感,该电感额定电流(手册标称是取饱和电流和温升电流中小的一项)6.6A,大于工作峰值电流5.29A(webebch计算值,和自己算的基本符合),铜线电阻19mR,按照计算得到的4.67A的RMS电流,铜线损耗0.4W,似乎是可以接受的。对于输出22uH的电感,额定电流只有3.6A,小于工作峰值电流3.8A,如果电感量能够降低到15uH的话,额定电流能够达到4.5A,铜线阻抗27mR,按软件计算得到的3.35A的RMS电流,0.3W的铜线损耗也是没有问题的。理论上说,直接用15uH的代替22uH的不会有什么问题,因为环路带宽很窄,即使电感大范围变化,也不会对稳定性有多大影响,无非是纹波电流大了些。但是既然有这个软件,我想还是可以优化一下,毕竟是举手之劳。

    如何让这个电感从22uH变到15uH呢?在webench左侧有一个user preferred frequency,我们勾选这个选项,然后试着将频率提高一点的话,那么这个电感就有望减小了。

     

    当然,频率提高,可能会影响效率,但是只要变化不大,效率也不会有大的起伏的。我们试图从默认的430KHz改为450KHz,然后点击update,新的设计参数就出来了。

     

    非常幸运,仅仅提高20KHz的频率,就让电感量降低到了我们想要的值。然后再次点击dv/dt项,查看电感规格是否符合更新后的工作参数要求。没有问题的话,电感就选型就完了。当然,此时的输入电感也降低到了5.6uH。


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  • rj44444

    LV.1

    2013-07-29 10:54

    @rj44444

    返回到主页面,点dv/dt选项,出来的就是各个器件的工作参数。对于电感,最重要的参数就是峰值电流和RMS电流,要确保峰值电流小于饱和电流,然后根据RMS电流看电感的铜线电流密度是否合适。参数表格里面给出了我们希望的各项参数,只需要对照电感规格书选择就是了。一开始我选择了常见的12*12*7mm的方形贴片功率电感,根据某厂商的规格书,对于输入6.8uH的输入电感,该电感额定电流(手册标称是取饱和电流和温升电流中小的一项)6.6A,大于工作峰值电流5.29A(webebch计算值,和自己算的基本符合),铜线电阻19mR,按照计算得到的4.67A的RMS电流,铜线损耗0.4W,似乎是可以接受的。对于输出22uH的电感,额定电流只有3.6A,小于工作峰值电流3.8A,如果电感量能够降低到15uH的话,额定电流能够达到4.5A,铜线阻抗27mR,按软件计算得到的3.35A的RMS电流,0.3W的铜线损耗也是没有问题的。理论上说,直接用15uH的代替22uH的不会有什么问题,因为环路带宽很窄,即使电感大范围变化,也不会对稳定性有多大影响,无非是纹波电流大了些。但是既然有这个软件,我想还是可以优化一下,毕竟是举手之劳。

    如何让这个电感从22uH变到15uH呢?在webench左侧有一个user preferred frequency,我们勾选这个选项,然后试着将频率提高一点的话,那么这个电感就有望减小了。

     

    当然,频率提高,可能会影响效率,但是只要变化不大,效率也不会有大的起伏的。我们试图从默认的430KHz改为450KHz,然后点击update,新的设计参数就出来了。

     

    非常幸运,仅仅提高20KHz的频率,就让电感量降低到了我们想要的值。然后再次点击dv/dt项,查看电感规格是否符合更新后的工作参数要求。没有问题的话,电感就选型就完了。当然,此时的输入电感也降低到了5.6uH。


    接下来还有几个重要的器件要选:MOSFET、二极管、输出电容。为什么我们没有说输入电容?因为对于sepic和boost这两种拓扑,输入端直接接电感,电容上的电流是连续的,输入电容不那么重要。

    首先是mosfet,参考方案用的AON7246,查看一下它的损耗,2.13W,当时我有点疑虑,这么小的封装(大约DFN3*3mm),如何能够耗散2W多的功率?但是由于比较赶时间,也没有多想,只是在布板时将漏极铜箔尽可能地布的比较大。

    接下来查看一下二极管的平均电流,其实也没什么好查的,等于输出电流3.5A错不了。那么暂且选用两个SMC封装的SS34,室温下,温度应该控制在100度以内没问题吧。

    最后的输出电容,计算得到的容量约100uF,这个参数我们不要随便改动它,至少不要大范围改动它,因为涉及到环路问题。如果希望得到较小的ESR来降低电容的发热,那么只能在不改变容量的情况下选择更大体积的封装了。由于国产的电容实在是很难查到什么有用的参数,只好摸着石头过桥,放一个大点封装的,到时候根据情况调整吧。


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  • rj44444

    LV.1

    2013-07-29 11:09

    @rj44444

    接下来还有几个重要的器件要选:MOSFET、二极管、输出电容。为什么我们没有说输入电容?因为对于sepic和boost这两种拓扑,输入端直接接电感,电容上的电流是连续的,输入电容不那么重要。

    首先是mosfet,参考方案用的AON7246,查看一下它的损耗,2.13W,当时我有点疑虑,这么小的封装(大约DFN3*3mm),如何能够耗散2W多的功率?但是由于比较赶时间,也没有多想,只是在布板时将漏极铜箔尽可能地布的比较大。

    接下来查看一下二极管的平均电流,其实也没什么好查的,等于输出电流3.5A错不了。那么暂且选用两个SMC封装的SS34,室温下,温度应该控制在100度以内没问题吧。

    最后的输出电容,计算得到的容量约100uF,这个参数我们不要随便改动它,至少不要大范围改动它,因为涉及到环路问题。如果希望得到较小的ESR来降低电容的发热,那么只能在不改变容量的情况下选择更大体积的封装了。由于国产的电容实在是很难查到什么有用的参数,只好摸着石头过桥,放一个大点封装的,到时候根据情况调整吧。


    就这样,第一个版本的电路很快做出来了,不幸的是,这个方案是彻底失败的。负载调整率、动态响应都不错,但是效率只有84%的样子。满载跑了几分钟,MOSFET温度已经超过110度了,电感和二极管温度也超过了100度!!并且,这还是开放的情况下!

    改板肯定是必须的,但是改之前可以利用这个“废板”尽量做一些有价值的测试。首先换个MOSFET试试。手头有英飞凌的BSC050N04(补充说明下,对于sepic拓扑,MOSFET最大耐压接近输入输出电压之和,在这里也就是14+12=26V,在这里,选取40V耐压的比较合适)这个管子不管是Rdson还是Qg都比AON7246低得多,当然,它的价格也要高不少,我没打算用它,只是做做实验。换上这个管子,重新测试一下,效率果然提升了将近一个点,但是没有散热器,温度管子温度仍然下不来。想想,要找到比这个参数更牛的管子几乎是不可能了,那是不是LM3478的驱动能力不行呢?本想用示波器测,但是示波器太烂,测出的驱动波形根本无法让我看出准确的上升下降沿。于是回头查LM3478的datasheet,真是不该,连这个datasheet都没看一遍就做出样板了,这要怪webench,呵呵。


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  • rj44444

    LV.1

    2013-07-29 11:25

    @rj44444

    就这样,第一个版本的电路很快做出来了,不幸的是,这个方案是彻底失败的。负载调整率、动态响应都不错,但是效率只有84%的样子。满载跑了几分钟,MOSFET温度已经超过110度了,电感和二极管温度也超过了100度!!并且,这还是开放的情况下!

    改板肯定是必须的,但是改之前可以利用这个“废板”尽量做一些有价值的测试。首先换个MOSFET试试。手头有英飞凌的BSC050N04(补充说明下,对于sepic拓扑,MOSFET最大耐压接近输入输出电压之和,在这里也就是14+12=26V,在这里,选取40V耐压的比较合适)这个管子不管是Rdson还是Qg都比AON7246低得多,当然,它的价格也要高不少,我没打算用它,只是做做实验。换上这个管子,重新测试一下,效率果然提升了将近一个点,但是没有散热器,温度管子温度仍然下不来。想想,要找到比这个参数更牛的管子几乎是不可能了,那是不是LM3478的驱动能力不行呢?本想用示波器测,但是示波器太烂,测出的驱动波形根本无法让我看出准确的上升下降沿。于是回头查LM3478的datasheet,真是不该,连这个datasheet都没看一遍就做出样板了,这要怪webench,呵呵。


    一查,有点心灰了,驱动管的内阻确实有点大,再回头看webench的计算结果,驱动损耗1.36W,占了MOSFET总损耗的2/3。看来,要降低MOSFET温升,外加图腾柱是没有办法避免的了。

     

    再看LM3478的datasheet,驱动电路是经过内部稳压器供电的,IC供电电压高于7.2V时,驱动电路供电电压固定在7.2V。因此,单独加一个图腾柱还不行,还得另外给芯片加一个稳压电路,稳定电压小于等于7.2V但又要尽可能接近7.2V。这样一来,电路看似确实复杂不少,不过增加的成本还不算多,无非是图腾柱两个sot23的BJT,稳压电路用一个SOT23的BJT,一个齐纳二极管,几个电容和电阻。于是,我最后设计完成的电路就成了下面的样子。 

    对了,忘了和大家说,webench最让我感觉惊喜的是,他可以直接导出设计软件相应格式的原理图文件,点击export,就会弹出以下可选格式,我上面的图就是在导出文件的基础上修改的。

     

    现在,电路既然加了图腾柱,对于一般的管子而言,驱动能力就不在话下了,所以下面选MOSFET就可以只考虑低的Rdson,基本不考虑Qg了。当然,我们必须注意的是,由于驱动电压比较低,必须选用逻辑电平的低阈值mosfet。最后综合考虑,我选了性价比极高的AOD240,它有极低的Rdson,并且TO252的封装很适合在上面加散热器,这样也节省了铜箔散热的面积,同时减小了漏极辐射干扰。还有一个优点就是,二极管也可以选择这种封装的,这样,就可以使用同一个散热器,两个发热的大头温升问题就很好解决了。最后,二极管选择了STPS1045B。

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  • rj44444

    LV.1

    2013-07-29 11:38

    @rj44444

    一查,有点心灰了,驱动管的内阻确实有点大,再回头看webench的计算结果,驱动损耗1.36W,占了MOSFET总损耗的2/3。看来,要降低MOSFET温升,外加图腾柱是没有办法避免的了。

     

    再看LM3478的datasheet,驱动电路是经过内部稳压器供电的,IC供电电压高于7.2V时,驱动电路供电电压固定在7.2V。因此,单独加一个图腾柱还不行,还得另外给芯片加一个稳压电路,稳定电压小于等于7.2V但又要尽可能接近7.2V。这样一来,电路看似确实复杂不少,不过增加的成本还不算多,无非是图腾柱两个sot23的BJT,稳压电路用一个SOT23的BJT,一个齐纳二极管,几个电容和电阻。于是,我最后设计完成的电路就成了下面的样子。 

    对了,忘了和大家说,webench最让我感觉惊喜的是,他可以直接导出设计软件相应格式的原理图文件,点击export,就会弹出以下可选格式,我上面的图就是在导出文件的基础上修改的。

     

    现在,电路既然加了图腾柱,对于一般的管子而言,驱动能力就不在话下了,所以下面选MOSFET就可以只考虑低的Rdson,基本不考虑Qg了。当然,我们必须注意的是,由于驱动电压比较低,必须选用逻辑电平的低阈值mosfet。最后综合考虑,我选了性价比极高的AOD240,它有极低的Rdson,并且TO252的封装很适合在上面加散热器,这样也节省了铜箔散热的面积,同时减小了漏极辐射干扰。还有一个优点就是,二极管也可以选择这种封装的,这样,就可以使用同一个散热器,两个发热的大头温升问题就很好解决了。最后,二极管选择了STPS1045B。

    最后没有定下来的剩下电感了。之前的电感,肯定是不能用了,在封装接近的选项中,我找到了国产的一体成型大电流电感,这种电感额定电流和导通电阻都比之前的要小很多,价格几乎是之前的两倍。不过问题不大,总bom成本还有余量。最后的布板什么的,这里就不说了,直接上实物图,这个图在我另一个帖子里面也是有的。

       

    实物出来之后,仍然没那么顺利。焊接好后,开始上电测试。负载缓慢增加到最大一切正常,满载效率快89%了,比参考设计还略微高一点点。满载跑了半个小时,最热的是输入电感,快70度了,似乎一切都是可以接受的。

    但是,最后一项测试问题就暴露出来了。。。满载上电,突然输出掉了,整版所有功率器件巨热,再测输入电压,跌倒只有8V(测试用的12V/5A 开关电源)。应该是上电瞬间电流过大,把开关电源电压拉低了,导致输入电流进一步增大,这算是LM3478一个硬伤,没有软启动功能。

    作为车充,电源是电池的话可能不会出现这个问题,但是不解决这个问题毕竟是心里不踏实的,于是想起了外部增加软启动的方法。方法也很简单,就是在输出电压采样电阻上并联一个电容和一个二极管,如下面最后的图。上电瞬间,电容上电压为零,然后通过采样电阻给电容充电,电压缓慢上升,实现软启动。于是在板子上飞了条线,重新满载测试,一切正常了! 



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  • mko145

    LV.1

    2013-07-29 16:34

    @

    很不错!   

    IC 贵了点,其实有便宜的选择。像 FP5139(有软启动),不到 1块钱 ~

      

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  • rj44444

    LV.1

    2013-07-29 20:26

    @mko145

    很不错!   

    IC 贵了点,其实有便宜的选择。像 FP5139(有软启动),不到 1块钱 ~

      

    谢谢,sipex的也不错,不过设计支持少了点
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    LV.1

    2013-07-31 08:02

    @rj44444

    谢谢,sipex的也不错,不过设计支持少了点

    其实SEPIC,相对来说比较好设计。。。。

    如果带不了很大的负载。就只需要加大电感量和加大耦合电容量来解决。。。

    所以相对其它来说。。。比较容易解决。。。

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