人在什么情形下才會做分享呢?首先是心中要有東西,然后需要這顆心是打開的,還要有值得分享的對象以及方便的時間和場合,缺了其中的任一點,分享就無法進行。我們的微信平臺就是一個很好的場所,歡迎大家常常來利用,我在這里等大家。如果你來的時候恰好我不在,我也會在返回以后盡快回復。
上周就有這樣一個案例,一位朋友在使用RT6224A完成5V轉4V的應用時遇到了負載能力達不到器件能力的問題,他通過微信平臺與我們聯絡,我在詢問了各方面的狀況以后給了他一些建議,雖然最后仍因設計上的不足不能達到器件的最大能力,但已經能滿足他現在的實際需要了。如果你在工作中也遇到了類似的問題,你也可以像這位朋友一樣來利用我們,我們對這樣的利用是很開心的,因為這說明我們是有利用價值的。下面我就以此案為例為你分享一些設計中需要注意的問題,希望能對你的工作和學習有所幫助。
要好好利用規格書
如果不是因為這位朋友提問,我可能永遠不知道RT6224A是一款輸入電壓范圍為4.3V-18V、負載能力3A、最大占空比為90%的ACOT架構Buck轉換器,但是一旦查閱資料知道這些信息,我們就知道用它實現5V轉4V、最大負載為2.5A的應用是可行的。如果還處在選型階段,我們在這個時候可能要關心的重點就是它具有什么樣的保護特性、是否支持輕載高效的工作模式以及是否可控等等。
電源器件的規格書通常都會給出電路參考設計圖,有時還會給出不同工作條件下的元件參數,RT6224A所給出來的這些資料是這樣的:
在本案中,輸出電壓為4V,上述表格中沒有給出與之對應的參數建議,但我們可以將3.3V和5V輸出兩種情況下的參數做一個折中后進行選擇。
按照通常的設計方法,我們可能會按照工作條件進行參數的計算,這時候會預先定義一個電感電流紋波指標,然后再據此計算出電感量,RT6224A的規格書也給出了這部分內容,我們的朋友由此方法得到的電感量是2.2μH,這比推薦的參數要小很多。比較小的電感量所帶來的問題,首先是電感電流紋波會較大,電流的峰值較高,相應的電感發熱會加重,既降低效率又容易飽和,飽和又會直接加大電感電流紋波,甚至可能直接損壞電感和IC;其次是輸出電壓紋波會變大,對負載沒有好處;影響反饋回路的穩定性;可能直接觸發IC的過流保護機制,從而進入過流保護狀態。
上圖表格下方的注解是需要注意的,它在強調電容的有效值,它會隨著直流偏置的變化而變化。本案中的輸出電壓為4V,這對電容量的影響也不會小。電容量的變化與交流偏置也直接有關,讀者可在我們的歷史消息里查看相關的內容。
在本案中,我們的朋友在將電感換為4.7μH的以后,電流負載能力從原來的1.5A左右提高到了2.5A左右,雖然沒有達到器件額定能力,但已經能滿足應用的需要了。
規格書的應用說明部分是很重要的,使用者應當認真閱讀。在RT6224A規格書的應用說明部分就給出了所有電路參數的計算方法,另外還給出來了其他的一些指引,如建議在輸入電壓低于5.5V時增加額外的自舉電容充電電路:
實際上,像這樣的電路在輸入電壓比較低、占空比比較低時都應該加入,我覺得尤以占空比較高時為重要。在本案中,輸入電壓只有5V,占空比高達90%,加入這樣的電路就更有必要了。自舉電容的作用是為上橋驅動器供電并在上橋開關打開時將上橋驅動器的電壓隨開關節點電壓的提升而同步提升,使上橋能夠持續處于導通狀態,如果其儲能不足,開關的導通程度就會受影響,從而導致電路效率的下降。由于自舉電容只能在下橋導通的時間段里才會被充電,所以占空比對充電時間、效果的影響是很大的。
一款器件如果很特別,那些特別之處通常也會在應用說明部分進行說明,讀者一定要對此部分加以特別的關注,把能夠預防的問題提前考慮到。
要在PCB設計上下功夫
在本案中,即使已經按照建議參數選擇了器件,外加的自舉電容充電電路也加上了,還增加了前饋電容,IC的負載能力仍舊不能達成額定指標,PCB設計上的限制很明顯。
上圖是本案實際的PCB設計圖照片,其中存在幾個問題:
1,輸入、輸出電容之間的GND和黑框處的IC的GND端沒有形成有效的短而粗的連接,我甚至看不出來它們之間是如何連接的,那么實際工作中的電流回路就是混亂的,IC的工作會受到大量不當信號的干擾,EMI問題不能得到有效解決。好在這只是一個系統驗證板,只要能工作,目的就可以實現了,正常的設計可不能這樣玩。
2,反饋信號的取樣點位于電感上,它所取得的信號未經輸出電容濾波,因而存在嚴重的紋波干擾,控制回路很難正常工作。正常的取樣點應該位于輸出電容上靠近負載一側,本圖中應位于紅色Vout字串上方。
3,注明為SW的開關節點面積過大,這里由于處于輸入電壓和GND電壓的交替變換中,過大的面積很容易就通過電容耦合的方式將干擾信號傳遞出去,后期的EMC測試很難通過,設計上應該將它最小化、最短化。
現在的電子工程師是很幸福的,做電路設計時有大量的資料可供參考,甚至可以做到拿來就用,但PCB是一定要自己設計的,它是實際的物理過程發生的載體,如果忽略了基本的物理特性進行設計,很多問題就會在后期表現出來。所以,有所追求的工程師應該將基本的理論用起來,讓它們在設計過程中起到引領的作用,把能夠預防的問題預先排除掉,讓電路的性能得到最優化,自己的功夫也會在此過程中得到不斷的提升。
說完了問題,再給大家推薦一款很特別的Buck轉換器——RT5705,它的控制架構是HCOT,也就是將滯回式和COT控制結合在一起的一種控制架構,這種方式所帶來的好處是器件自身的靜態耗電非常低,只有600nA,這樣的數據已經低于大部分線性穩壓器了,是一個非常出色的水平(我沒有用“卓越”這個詞,是因為我已經看到耗電更低的型號了,以后再向大家介紹)。由于RT5705的輸入電壓范圍是2.2V-5.5V,輸出電壓是1.8V-3.3V,負載能力為1A,還含有一個負載開關可以用于局部供電的控制,因而非常適合電池供電的低功耗設備使用。
RT5705的輸出電壓范圍為1.8V-3.3V,但要選定它的輸出電壓卻不是依靠不同的型號,也不使用反饋電阻,只需要在使用時將不同的電壓選擇端子接到Vin或GND上即可,因而只用一個型號即可滿足所有的輸出電壓應用需求,對于庫存管理絕對是個好消息,下圖是把它放在系統中應用時的電路示意圖:
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