六 设计示例

第六部分是比较有意思的部分

就是我会拿一个案例来去示范给大家

如何从头到尾设计出一个完整的一个 DC-DC

这是一种 TI 非常经典的产品叫

TPS53318/319/353/355

TPS53318/319/353/355

这个产品所做的电流是从 8A 一直到 30A 涵盖的

那么我们可以看到它的管脚定义

这边是由反馈端、使能端、自举电容端

然后设置我的过压保护管脚

我的开关节点 Vin

设置我的内部的 LDO 的输出的管脚

芯片的电源侧和我的模式控制

比如我可以做强制 PWM 和轻载省电模式的设定

还有我设置我的开关这个电流保护点

以及我的设置我的开关频率的设定管脚

那这边就是一个典型的一个 53319 所做的一个原理图

现在我们开始细分

首先可以看到这个入口电容是采用陶瓷加电解

电解主要是做平滑滤波用的

而陶瓷主要是滤除开关电源所产生的纹波

一定要注意

对于开关电源来说

我的输出纹波会透过我的正透过 DC-DC

而被反射到我的入口端

而这些电容的主要目的

是为了滤除我的反射噪音

所带来的这种纹波电压

同时也能够降低

整个电源母线上面的纹波电流量

在这个电路里面可以看到

这是一个 RC 的纹波注入的一个网络

这一部分是它的反馈

输出的反馈电压设定的电子网络

设置开关电流的保护点

设定开关频率的电阻

然后这块所代表的 EPAD 代表的是

因为它的底部是有一个巨大的一个热焊盘

这个热焊盘是可以跟中间的地层

透过很多的密实的过孔连接

从而达到一个良好的散热的结果

这是一个主要参数

我们可以透过这个表格来设定我的缓启动时间

以及我是否采用 Auto Skip

也就是省电模式

或者是一个 Force CCM

什么意思呢？

就是只要我把它配成一个 Force CCM

也就是我的占空比或者我的开关频率

就是和传统 DC-DC 或者降压变换器是一致的

而如果采用 Auto Skip 的话

它遵循的就是自适应的 D-CAP 的这种控制的模式

这样的话，使得我们芯片会更加的友好

更加地符合传统的 DC-DC 的设计人员的使用的习惯

这张表格是设定了我整个的开关频率

从 250kHz 和 970kHz

这样所带来的一个好处就是

我可以通过改变我的输出的开关频率

从而在一定程度上能够缓解

由于 EMI 所带来的这种干扰的问题

为什么这么说呢？

因为有的时候在电信板卡上面有很多很多的 DC-DC

如果它们的开关频率恰好一致

但是相位不一致就会产生这种拍频的现象

也就是会出现一个低频噪音的问题

那么这种情况之下由于我们没法把它们都同步在一起来解决

所以说我们可以透过改变我们的开关频率

来去使得它的这种拍频的现象不容易发生

从而解决低频噪音的这种问题

那这一块的输出电感的设计

实际上是跟传统的 DC-DC 电感的设计完全一样

就是 L 等于输出电压

乘以我的占空比

还有我的纹波电流的这个比值

然后就能够设定了

我们既可以把它作为开关管导通的时间

作为一个电感的设计计算量

也可以作为一个下管的导通时间的一个设计量

也说我的上管的导通时间

既可利用上管导通时间来作为我的电感的计算

也可以利用我的下管的导通时间来做我的一计算量

这两者都是可以用的

最终就可以推导出来这个公式

是非常的简单易用的

那么这一块是为了计算流过我的电感里面的纹波电流

以及我的直流偏量所加起来的整体的电量

我们称为峰值的一个电感的电流

我们现在可以开始设计我的输出电容

输出电容其实上我们是首先要判定输出电容的容量

刚才我说了，虽然它不需要补偿

但是它依然需要遵循几个基本量

才能够保证整个 D-CAP 模式的这种 DC-DC 的工作稳定

才能够保证整个 D-CAP 模式的这种 DC-DC 的工作稳定

其中的输出电容的容量的一个最小值是一个限制

也就是说我不能够比这个值再小了

如果比这个值再小了的话

那我就会比四分之一的开关频率还要大了

就是我的这个零点的这个频率

不能够超过我的四分之一的开关频率

那好我们设定的我的一个输出电容之后

这个时候我们就可以看

也就是说为了满足这个 Jitter 更小的时候

我们需要计算这个斜率

通过这个公式我们就可以进行计算

这块儿更加的简单了

但一定要注意

跟传统的比较的话

它加了这么一个系数进去

为什么呢？

因为刚才我说了

这个系数实际上是我的纹波注入电路所加进去的

那么传统的方式的话是没有这个部分的

也就是说我的参考电压就是等于我的 VREF 电压

但是在这个里面是不一样

我的 VREF 电压上面实际上还叠加了一个纹波的电压

所以一定要把这个值考虑进去

这时候我们算出来的电压

或者算出来的这个电阻

才是我们想要的目标值电压

否则如果不考虑这一部分的话

那么我们直接算出来这个电阻阻值

可能得到的电压

和我们所想要的电压是有一定的误差的

过流保护点

我们通过 TRIP 管脚的外接到地的电阻

来去设定我的过流保护点

我的过流保护点实际上是在我的芯片内部有一个电流源

这个电流源会经过这个电阻

产生相应的电压

产生相应的电压

这个电压实际上就是

发生过流保护点的时候的阈值电压

所以我可以通过改变我的 TRIP 的管脚上面的电阻

从而改变我的发生电流保护的时候的电压阈值

从而实现了不同的保护电流的设定

这一部分是讲的纹波注入电路怎么去设计

刚才我说了，如果要得到一个非常好的一个稳定

那么就是要 RC 的纹波注入的时间常数

和我的电感的时间常数获得一个等值

假如说不等

比如它比它大了的话

RC 的时间常数大于了电感的时间常数

那么所带来的一个现象就是说

瞬态响应可能会变得更好

但是 Jitter 会变得更大

纹波量变小

导通时间短

那么大负载的时候频率可以更高

瞬态响应可以更快

但是如果说我的 RC 的电路时间常数

如果小于这个电感常数的话

那么这个时候 Jitter 可能会更好一些

但是我的瞬态相对来说可能不太好

所以说

我的 RC 的时间常数可以稍微大一些

我的电感时间常数

但是最合适的时候就是

我的 RC 的时间常数

和我的电感的时间常数最好能够相等

算完之后

我们就可以搭建出左上角的这套电路

如果我们有这个所谓的网络分析仪的话

我们甚至可以利用刚才的环路稳定性测试电路

来去真实的测量一下

我的相位裕量和我的增益裕量

到底是多少？

那么这个是会更加的具有非常确实的证据

那么可以看到呢

下面说做了一个总结

时间常数不匹配会造成提取的纹波

和 DCR 的纹波在幅值上和相位上存在偏差

比较好的是

电感的这个时间常数一般是在 1kHz 左右

所以说在开关频率处的相移是可以忽略的

那么隔直电容

首先它是可以通交隔直

避免把我的直流分量也叠在我的反馈电压上去

造成一些风险

那么容值更小的话了

我的动态响应的速度会更快

相当于是一个高通滤波器

具有一个相位超前的一个作用

下面是讲 PCB 的布局

PCB 的布局

其实一个最核心的一点就是

我的环路面积一定要最小

可以看到这有三个功率环路所组成的

第一个功率环路呢？

第一块呢

比如说我们指的这个输出的这个部分的功率环路

这一块指的是输入部分的这个功率环路

也就是从我的内部芯片的高边的 MOS 管

然后通过入口的电容形成的一个功率环路

那第三个指的就是自举电容的这个功率环路

自举电容的这个功率环路所带来的一个

为什么要说这一块

因为我们知道

自举电容实际上是用来

给内部的开关管的上管做驱动的

所以说这个点的开关节点电压也非常高的

如果它的环路面积比较大的话

带来的一个问题就是我的整体的干扰会变得比较大

同时我们看到

在我的热焊盘上有密密麻麻的这么多过孔

这么多孔实际上是跟我的内部完整的地层是连在一起的

它的一个最大的作用是为了散热

同时屏蔽噪音

因为我们知道

在芯片内部是有很多控制单元的

那如果我能够很好的去接地的话

实际上对我的内部的控制单元的噪音屏蔽

也能带来一个很好的噪音滤除的一个效果

现在我们可以讲

外围的非功率器件

也就是控制器件的一个布局图

我们可以看到

有 VREG 和 VDD

这只是这个芯片的电源管脚

和它内部的控制电路的电源管脚

上面的电容的一定要尽量靠近

所有给芯片内部的电路来供电的部分

一定要做到它的噪音度最低

从而能够保证它的稳定性

那第二比如敏感线路

比如返回端的

然后设定开关的

设定过流保护点的

设定这个工作模式的

以及设定开关频率的

一定要远离开关节点比如这一块

开关节点以及自举电容这一块儿

那么远离它所带来的好处就是

使得我控制级上面噪音度最低

从而能够满足我的这个稳定的这种要求

那么第三点就是过流设定这个电阻

这个电阻上面一定要注意

因为刚才我说的它通过电流源

流过这个电流的这个电阻上面所产生的电压

来作为我的保护电流的一个设定电压

但如果说这个电压上面已经叠加了噪音

那么就会必然会干扰我的这个电流保护点这个问题

所以说一定要注意要离我的芯片要尽可能的近

过流电阻还有我的频率电阻一定要靠近

因为如果频率被干扰的话

那么电阻被干扰的话

那我开关频率也会出现问题

纹波注入电路一定要注意纹波注入电路

一定要和我的电感尽可能的接近

耦合电容

也就是那个 1nF 的耦合电容

通交隔直那个电容一定要和我的芯片的返回端

要尽可能的接近

比如说 C6

那么一定要离我的芯片要尽可能接近

因为对于芯片来说

我并不知道

你的噪音是不是真的来自于电感的噪音

还是来自于电感上面所产生的这种有效的信号

还是来自于外边的这种噪音

我并不做判断

只要有噪音我就耦合进来

所以说这样带来一个问题

就是说如果外面的真正的噪音

真的是要透过这个电容耦合到这个芯片的返回端上来

一定会对我的输出部分造成影响

第三个就是刚才我说了

一定要在我的热焊盘上打上足够多的过孔用于散热

接到的地平面上

同时还做一个屏蔽

那这一块我就讲完了

感谢大家的时间，谢谢

第六部分是比较有意思的部分

就是我会拿一个案例来去示范给大家

如何从头到尾设计出一个完整的一个 DC-DC

这是一种 TI 非常经典的产品叫

TPS53318/319/353/355

TPS53318/319/353/355

这个产品所做的电流是从 8A 一直到 30A 涵盖的

那么我们可以看到它的管脚定义

这边是由反馈端、使能端、自举电容端

然后设置我的过压保护管脚

我的开关节点 Vin

设置我的内部的 LDO 的输出的管脚

芯片的电源侧和我的模式控制

比如我可以做强制 PWM 和轻载省电模式的设定

还有我设置我的开关这个电流保护点

以及我的设置我的开关频率的设定管脚

那这边就是一个典型的一个 53319 所做的一个原理图

现在我们开始细分

首先可以看到这个入口电容是采用陶瓷加电解

电解主要是做平滑滤波用的

而陶瓷主要是滤除开关电源所产生的纹波

一定要注意

对于开关电源来说

我的输出纹波会透过我的正透过 DC-DC

而被反射到我的入口端

而这些电容的主要目的

是为了滤除我的反射噪音

所带来的这种纹波电压

同时也能够降低

整个电源母线上面的纹波电流量

在这个电路里面可以看到

这是一个 RC 的纹波注入的一个网络

这一部分是它的反馈

输出的反馈电压设定的电子网络

设置开关电流的保护点

设定开关频率的电阻

然后这块所代表的 EPAD 代表的是

因为它的底部是有一个巨大的一个热焊盘

这个热焊盘是可以跟中间的地层

透过很多的密实的过孔连接

从而达到一个良好的散热的结果

这是一个主要参数

我们可以透过这个表格来设定我的缓启动时间

以及我是否采用 Auto Skip

也就是省电模式

或者是一个 Force CCM

什么意思呢？

就是只要我把它配成一个 Force CCM

也就是我的占空比或者我的开关频率

就是和传统 DC-DC 或者降压变换器是一致的

而如果采用 Auto Skip 的话

它遵循的就是自适应的 D-CAP 的这种控制的模式

这样的话，使得我们芯片会更加的友好

更加地符合传统的 DC-DC 的设计人员的使用的习惯

这张表格是设定了我整个的开关频率

从 250kHz 和 970kHz

这样所带来的一个好处就是

我可以通过改变我的输出的开关频率

从而在一定程度上能够缓解

由于 EMI 所带来的这种干扰的问题

为什么这么说呢？

因为有的时候在电信板卡上面有很多很多的 DC-DC

如果它们的开关频率恰好一致

但是相位不一致就会产生这种拍频的现象

也就是会出现一个低频噪音的问题

那么这种情况之下由于我们没法把它们都同步在一起来解决

所以说我们可以透过改变我们的开关频率

来去使得它的这种拍频的现象不容易发生

从而解决低频噪音的这种问题

那这一块的输出电感的设计

实际上是跟传统的 DC-DC 电感的设计完全一样

就是 L 等于输出电压

乘以我的占空比

还有我的纹波电流的这个比值

然后就能够设定了

我们既可以把它作为开关管导通的时间

作为一个电感的设计计算量

也可以作为一个下管的导通时间的一个设计量

也说我的上管的导通时间

既可利用上管导通时间来作为我的电感的计算

也可以利用我的下管的导通时间来做我的一计算量

这两者都是可以用的

最终就可以推导出来这个公式

是非常的简单易用的

那么这一块是为了计算流过我的电感里面的纹波电流

以及我的直流偏量所加起来的整体的电量

我们称为峰值的一个电感的电流

我们现在可以开始设计我的输出电容

输出电容其实上我们是首先要判定输出电容的容量

刚才我说了，虽然它不需要补偿

但是它依然需要遵循几个基本量

才能够保证整个 D-CAP 模式的这种 DC-DC 的工作稳定

才能够保证整个 D-CAP 模式的这种 DC-DC 的工作稳定

其中的输出电容的容量的一个最小值是一个限制

也就是说我不能够比这个值再小了

如果比这个值再小了的话

那我就会比四分之一的开关频率还要大了

就是我的这个零点的这个频率

不能够超过我的四分之一的开关频率

那好我们设定的我的一个输出电容之后

这个时候我们就可以看

也就是说为了满足这个 Jitter 更小的时候

我们需要计算这个斜率

通过这个公式我们就可以进行计算

这块儿更加的简单了

但一定要注意

跟传统的比较的话

它加了这么一个系数进去

为什么呢？

因为刚才我说了

这个系数实际上是我的纹波注入电路所加进去的

那么传统的方式的话是没有这个部分的

也就是说我的参考电压就是等于我的 VREF 电压

但是在这个里面是不一样

我的 VREF 电压上面实际上还叠加了一个纹波的电压

所以一定要把这个值考虑进去

这时候我们算出来的电压

或者算出来的这个电阻

才是我们想要的目标值电压

否则如果不考虑这一部分的话

那么我们直接算出来这个电阻阻值

可能得到的电压

和我们所想要的电压是有一定的误差的

过流保护点

我们通过 TRIP 管脚的外接到地的电阻

来去设定我的过流保护点

我的过流保护点实际上是在我的芯片内部有一个电流源

这个电流源会经过这个电阻

产生相应的电压

产生相应的电压

这个电压实际上就是

发生过流保护点的时候的阈值电压

所以我可以通过改变我的 TRIP 的管脚上面的电阻

从而改变我的发生电流保护的时候的电压阈值

从而实现了不同的保护电流的设定

这一部分是讲的纹波注入电路怎么去设计

刚才我说了，如果要得到一个非常好的一个稳定

那么就是要 RC 的纹波注入的时间常数

和我的电感的时间常数获得一个等值

假如说不等

比如它比它大了的话

RC 的时间常数大于了电感的时间常数

那么所带来的一个现象就是说

瞬态响应可能会变得更好

但是 Jitter 会变得更大

纹波量变小

导通时间短

那么大负载的时候频率可以更高

瞬态响应可以更快

但是如果说我的 RC 的电路时间常数

如果小于这个电感常数的话

那么这个时候 Jitter 可能会更好一些

但是我的瞬态相对来说可能不太好

所以说

我的 RC 的时间常数可以稍微大一些

我的电感时间常数

但是最合适的时候就是

我的 RC 的时间常数

和我的电感的时间常数最好能够相等

算完之后

我们就可以搭建出左上角的这套电路

如果我们有这个所谓的网络分析仪的话

我们甚至可以利用刚才的环路稳定性测试电路

来去真实的测量一下

我的相位裕量和我的增益裕量

到底是多少？

那么这个是会更加的具有非常确实的证据

那么可以看到呢

下面说做了一个总结

时间常数不匹配会造成提取的纹波

和 DCR 的纹波在幅值上和相位上存在偏差

比较好的是

电感的这个时间常数一般是在 1kHz 左右

所以说在开关频率处的相移是可以忽略的

那么隔直电容

首先它是可以通交隔直

避免把我的直流分量也叠在我的反馈电压上去

造成一些风险

那么容值更小的话了

我的动态响应的速度会更快

相当于是一个高通滤波器

具有一个相位超前的一个作用

下面是讲 PCB 的布局

PCB 的布局

其实一个最核心的一点就是

我的环路面积一定要最小

可以看到这有三个功率环路所组成的

第一个功率环路呢？

第一块呢

比如说我们指的这个输出的这个部分的功率环路

这一块指的是输入部分的这个功率环路

也就是从我的内部芯片的高边的 MOS 管

然后通过入口的电容形成的一个功率环路

那第三个指的就是自举电容的这个功率环路

自举电容的这个功率环路所带来的一个

为什么要说这一块

因为我们知道

自举电容实际上是用来

给内部的开关管的上管做驱动的

所以说这个点的开关节点电压也非常高的

如果它的环路面积比较大的话

带来的一个问题就是我的整体的干扰会变得比较大

同时我们看到

在我的热焊盘上有密密麻麻的这么多过孔

这么多孔实际上是跟我的内部完整的地层是连在一起的

它的一个最大的作用是为了散热

同时屏蔽噪音

因为我们知道

在芯片内部是有很多控制单元的

那如果我能够很好的去接地的话

实际上对我的内部的控制单元的噪音屏蔽

也能带来一个很好的噪音滤除的一个效果

现在我们可以讲

外围的非功率器件

也就是控制器件的一个布局图

我们可以看到

有 VREG 和 VDD

这只是这个芯片的电源管脚

和它内部的控制电路的电源管脚

上面的电容的一定要尽量靠近

所有给芯片内部的电路来供电的部分

一定要做到它的噪音度最低

从而能够保证它的稳定性

那第二比如敏感线路

比如返回端的

然后设定开关的

设定过流保护点的

设定这个工作模式的

以及设定开关频率的

一定要远离开关节点比如这一块

开关节点以及自举电容这一块儿

那么远离它所带来的好处就是

使得我控制级上面噪音度最低

从而能够满足我的这个稳定的这种要求

那么第三点就是过流设定这个电阻

这个电阻上面一定要注意

因为刚才我说的它通过电流源

流过这个电流的这个电阻上面所产生的电压

来作为我的保护电流的一个设定电压

但如果说这个电压上面已经叠加了噪音

那么就会必然会干扰我的这个电流保护点这个问题

所以说一定要注意要离我的芯片要尽可能的近

过流电阻还有我的频率电阻一定要靠近

因为如果频率被干扰的话

那么电阻被干扰的话

那我开关频率也会出现问题

纹波注入电路一定要注意纹波注入电路

一定要和我的电感尽可能的接近

耦合电容

也就是那个 1nF 的耦合电容

通交隔直那个电容一定要和我的芯片的返回端

要尽可能的接近

比如说 C6

那么一定要离我的芯片要尽可能接近

因为对于芯片来说

我并不知道

你的噪音是不是真的来自于电感的噪音

还是来自于电感上面所产生的这种有效的信号

还是来自于外边的这种噪音

我并不做判断

只要有噪音我就耦合进来

所以说这样带来一个问题

就是说如果外面的真正的噪音

真的是要透过这个电容耦合到这个芯片的返回端上来

一定会对我的输出部分造成影响

第三个就是刚才我说了

一定要在我的热焊盘上打上足够多的过孔用于散热

接到的地平面上

同时还做一个屏蔽

那这一块我就讲完了

感谢大家的时间，谢谢