【我的WEBENCH得意之作】基于LMR62421的锂电池升压电路设计

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一、项目背景
目前很多嵌入式小系统中使用单颗锂电池进行供电。对于锂电池，其在充满情况下，电压可能会达到4.3V左右，而放电过程将近结束之时，其电压可能降至2.9V左右。对于嵌入式系统，通常采用5V供电，或者3.3V供电，因此需要设置相应的升压电路，以保证锂电池放电周期全程均能够使系统正常工作。
二、项目要求
1.要求锂电池整个放电周期均能使得系统正常工作，因此升压电路需要具有较宽的输入范围；
2.使用电池供电的系统需要考虑功耗，因此需要保证电路的高效率；
综上所述，升压电路因采用高效率的开关电源电路。
3.现代嵌入式系统中的某些器件，如MCU等，往往需要3.3V供电，其特点是：本身功耗不大，在mA级别，但是对电源纹波要求很高。因此，可采用的方案是在开关电源电路之后，使用线性稳压器LDO进行降压使用。LDO的纹波抑制比相当大，输出的电源电压非常稳定，适用于MCU等对电源要求严格的电路。
三、具体设计参数

项目	具体要求
电源电压	2.7-4.3V
输出电压	5V
输出电流	0.5A
输出电压纹波	小于±100mV
电源效率	高于80%
电源稳定性	要求可以长时间稳定工作
电源体积	在可能的情况下，尽可能减小

四、WEBECH设计流程
在确定了电源的设计参数以后，可以使用WEBENCH进行设计。具体设计流程如下所示：
1.确定电源要求
这里，需要将上述确定的具体参数进行输入，即可点击开始设计进行设计。

2.选择电源解决方案
WEBENCH提供了三种方案可选，分别是集成模块module，集成芯片integrated，和处理器控制controller三种方案。

对于以上确认的应用，综合效率、难易程序等考虑，可以选用集成芯片integrated解决方案，通常是常用的开关电源解决方案。
这里，选择集成芯片解决方案，点击choose part开始设计。
3.具体方案选择

选择集成芯片解决方案以后，WEBENCH列出了可以选择的多种方案，同时简单列出了一些需要关注的参数，如BOM尺寸，成本，效率，输出纹波等。
从图中可以看出，满足以上要求的方案很多，可以选择一个相对比较好的。
处于设计方便性考虑，我选取了比较容易焊接的SOT封装芯片，同时在ti官网可以申请样片的方案。
最终，选择了LMR62421解决方案。
4.LMR62421方案详细说明
LMR62421方案主拓扑为boost升压电路，效率在85%，输出纹波在11.1mV，最大输出电流2.1A，完全满足设计要求。
选择LMR62421方案对应的开始设计，即可开始针对该方案的设计。
5.WEBENCH设计方案说明

进入设计主界面以后，可以看到WEBENCH已经将完整的设计参数全部列出。
我重点关注的设计内容包括如下：
原理图：

这是一个典型的boost拓扑，同时是通过修改反馈电阻进行输出电压的设置。该设计所使用的元件也比较少比较简单。
性能分析图标：
这里重点关注一下效率曲线，可以看到：在2.7，3.5和4.3V输出电压的情况下，当输出电流大于100mA以后，效率基本可以保证在85%以上。需要注意的是，当输入电压在2.7V时，电流增大会使得效率略微降低。

工作点详细说明：
对于我们所设置的工作点，即输出0.5A的电流，WEBENCH提供了该工作点的具体参数。
如：效率：84.5%，输出纹波0.01V，这已经满足了我们的设计要求。
同时，这里的84.5%应该是效率曲线中的最低点，即2.7V输入电压时的效率，因此可以得知WEBENCH此处提供的参数为最差的工作情况下，说明该设计已经相对可靠。

PCB layout：

材料清单：



五、个人设计

WEBENCH提供了原理图设计和PCB layout的设计，但是考虑到便捷性，我还是使用了自己已有的元件库，二极管电杆等没有严格按照WEBENCH中的BOM中的要求去设计。因此，我重新绘制了原理图和PCB图，当然，原理图完全是按照WEBENCH中的进行设计的。

• 原理图设计
  
  

基本上直接参考了WEBENCH的设计图纸。本次PCB制板中，还做了一路基于 LMR12010的BUCK降压电路，可以将7-10V的直流电压转化为5V的直流降压，该设计面向与7.4V锂电池供电的嵌入式系统。（非常遗憾的是，ti已经没有LMR12010的样片，所以使得这一设计停止在了PCB阶段，并没有得以测试。）

原理图如下：

基于LMR62421的升压电路

基于LMR12010的降压电路

2.PCB设计

正面：

反面：


六、实物展示
这次做的板子很小巧，可以对比一下一元硬币，哈哈~~

七、性能测试

八、与WEBENCH设计的对比分析

项目	WEBENCH	我的设计	对比结果	说明
成本	1.1美金	约1.1美金	一致	因为本次设计除了核心的ti集成控制器外，其余芯片都是电阻电容电感之类，直接实用的淘宝购买的器件，同样满足要求，成本应该一致。
bom面积	117mm2	160mm2	略大	手工焊接，选取了容易焊接的元件。
效率	84.5%	84%左右	一致	本次设计中，根据测试数据可以得知，在电源的设计范围内，电源效率报纸在86-87%，小电流时也保持在78%以上，基本和WEBENCH设计保持了一致。

纹波

10mv

25mv

大

本次设计中，纹波比webench中要大一些，但是作为一个开关电源，仍然处于一个比较低的水平。考虑其中的原因，首先是元器件布局还是不够紧凑，对于高开关频率的器件，元件布局不够紧凑会影响电磁环境，进而导致纹波等参数出现异常，第二，就是元器件性能的差异，电感二极管等不如TI设计中的好。

九、视频展示
作品展示和测试过程，测试数据也是在视频中直接提取的，可靠！！
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说明视频