基于USB供电的3.3V/1A与12V/0.5A电源设计

nemo1991

基于USB供电的3.3V/1A与12V/0.5A电源设计 [复制链接]

 

【1】基于USB供电的3.3V/1A与12V/0.5A电源设计

基于TI的WEBENCH工具设计电源等非常便捷，可以在极短的时间获取多种可用方案，进行关于效率、尺寸、价格等综合选型后，最终可以按照选用方案设计。

WEBENCH工具提供了针对原理图、PCB设计、元器件选型、指标曲线以及热仿真等多种功能。借助该工具可以在设计之初就完成对最终指标的综合把握。

本次借助WEBENCH，我也设计出了自己的一个电源板，方便了自己使用。

设计要求：采用USB 5V电源，可以使用电脑USB供电或者常见的手机充电器等。要求两路输出：3.3V/1A，12V/0.5A。总功率不超过10W，常见的手机充电器就可以满足。

之后我会将设计流程详细说明，今天是第一篇帖子，我本想先按照设计流程进行介绍，想想似乎吸引力不够，不如今天先展示一下做好的板子！

我们首先看一下板卡尺寸，与一元硬币对比一下大小。

板卡性能之后会进行详细说明，先看看如何测试纹波。。。

好了！

下面以告知大家设计流程，欢迎讨论！

nemo1991

设计感想：通过WEBENCH设计电源具有很大的便捷性，因为工具的完善性使得设计过程无需额外关注细节。通过通过实际测试发现，最终设计出的电源性能也能达到设计要求。
关于开关电源设计的一些要点：开关电源工作时开关频率很高，很多集成芯片的开关速度能够达到MHz，因此layout是非常重要的环节。很多时候，即使原理图正确，但是错误的layout可能导致电源性能下降甚至不能工作。
最后，这里附件是我设计过程中参考的一份资料，来自于ti的e2e社区，我认为是非常好的资料。
设计总结
以下，将按照PCB尺寸，效率，纹波，成本以及热稳定性几个方面进行对比。
1.PCB尺寸：TI的设计中，buck电路尺寸为145mm^2，boost电路尺寸为152mm^2，我将两个电路布局于同一片板卡上，尺寸为420mm^2，尺寸比较接近，稍稍大一些。原因在于：自制板卡采用手工焊接方式，电阻电容选用了0805的，相对较大，同时元件之间间隙也比较大，因而尺寸大一些。事实上，如果采用小封装元件并机器焊接，可以达到一致效果。
2.效率：针对效率曲线，本次按照设计工作点进行了测试。Boost电路中，TI设计效率为88.99%，实际测试效率为87.7%；Buck电路中，TI设计效率为89.25%，实际测试效率为87.0%。在效率方面，电源均达到了设计最初的要求，但是均比TI设计要求稍低一点。这里可能的原因有以下几点：1.元器件性能未能达到ti要求标准，本次设计中使用实验室电感二极管等，性能上可能与ti推荐的具有一定差异：例如二极管的压降可能稍大，或者电感电容的ESR较大等。2.layout的设计不够理想，对于开关电源，layout是非常重要的一个设计因素，对效率具有很大影响。本次设计中尽管认真考虑过layout的方案，但和ti优秀工程师相比还是有很大差距；3.设计中板卡使用了自恢复保险丝、LED指示灯等，也会影响效率。

3.纹波：纹波主要考虑满载工作点时工况。Boost电路中，ti设计纹波为11mv，实际测试结果为25mv；buck电路中，ti设计纹波为12mv，实际测试结果为20mv。值得说明的是，实验室不具有专门的纹波测试探头，同时探头放大倍率固定为10x，该测试精度无法保证，只给大家进行一个参考设计。对纹波影响的要素有：1.layout的水平；2.元器件的性能。希望大家认真阅读本楼层的附件，对纹波的产生原理和抑制方案提出了完整的设计说明。

4.成本：除去ti的主芯片外，其余均为电感、二极管以及电阻电容的无源器件，价格相对一致。

5.热稳定性：本电源进行过2小时稳定性测试，未发现过热问题。

总结：WEBENCH确实是很棒的设计工作！设计结果完全满足我的预期！

nemo1991

【5】焊接与测试
最终设计展示如帖子首页所示，这里再次贴出来展示一下：


测试结果：

使用示波器测试了电源板的性能，主要关注了带载能力与纹波，测试结果如下。需要说明的是，测量纹波的要点是：1.使用1x倍率探头减小示波器底噪影响；
2.测量回路应当尽可能减小。由于实验室没有找到1x倍率探头，这里使用10x探头并不推荐。
1.3.3V输出带载0.8A

2.3.3V空载输出



3.12V空载输出


4.12V带载0.3A

nemo1991

双路电源的重新设计
因为本次需要把两路电源做在同一个板子上，因此我重新画了原理图与PCB。
1.原理图无需多讲，只是把WEBENCH生成的参考设计拿过来直接用了。
此外，USB 5V输入部分加入一个2A的自恢复保险丝，保护电路。同时增加了指示灯与输出排针。




2.PCB设计

nemo1991

本次体验WEBENCH完成了升降压电路的设计。上面我们已经介绍了升压电路的设计。一.设计目的在平时的电子设计中，常常需要3.3V电源给板卡或者其他外设进行供电。通常的手机充电器等都是5V，因此我打算设计一个5V转3.3V电源。
基本目标规定如下：输入电压5V，输出电压3.3V，最大输出电流大于等于1A，纹波小于50mV。要求电源体积尽可能小，输入端使用USB口供电。二.设计流程
本次设计实用WEBENCH软件完成设计，主要流程列举如下：
1.设计要求输入


2.WEBENCH给出的方案选择


3.选择基于LMR14020的方案


4.原理图展示


5.工作点展示


6.效率与纹波与输出电流的关系


7.热仿真及其结果



以上，基于WEBENCH可以获取设计的全部资料！

三、文件导出
使用WEBENCH可以导出全部设计文件，这里提供文件附件供大家参考！

欢迎交流！

nemo1991

一、设计目标
依旧使用充电器输出的5V电压作为电源，输出电压要求为12V，最大输出电流不小于0.5A，输出纹波小于50mV。同时，在允许的范围内电源尺寸尽可能小。
二.设计流程
本次设计实用WEBENCH软件完成设计，主要流程列举如下。
1.设计要求
这里简单输入设计要求，并点击开始设计：

2.选择架构

这里我们选择集成方案；
3.方案对比
选择好方案之后，WEBENCH会给出一系列的方案，这里，我们选择LMR62421进行设计，
该方案效率纹波等各方面满足要求；

4.方案展示
下图为我们选择好的LMR62421方案展示，包括原理图，PCB，工作点，物料清单以及热仿真等内容；
5.电路图

6.工作点


7.效率、纹波与输出电流的关系

8.热仿真


9.物料清单


三、文件导出
以上我们看到了WEBENCH提供的参考设计，这里，可以选择将设计的原理图与PCB等进行导出。
本次设计的导出文件已作为附件上传，请大家参考！

5之蒲公英

弯排针感觉会好很多，个人感觉还应该加上负电压个人拙见，不喜，勿喷

小涩涩asd

顶一发 学长

lcdi

关注，我也想做类似的，不过希望是可调的。

nemo1991

5之蒲公英 发表于 2016-5-24 23:52
弯排针感觉会好很多，个人感觉还应该加上负电压个人拙见，不喜，勿喷: ...

有道理！
有一路-3.3V也确实很好！
下次下次！

nemo1991

小涩涩asd 发表于 2016-5-25 01:24
顶一发 学长

摸摸学弟！

nemo1991

lcdi 发表于 2016-5-25 09:13
关注，我也想做类似的，不过希望是可调的。

很简单，你可以设置FB那里的分压电路变成可调电阻。
但是电感值、电容等参数可能需要更大范围的适用。

游乐场

写得真详细。

90houyidai

nemo1991 发表于 2016-5-27 15:00
本次体验WEBENCH完成了升降压电路的设计。上面我们已经介绍了升压电路的设计。一.设计目的在平时的电子设计 ...

过来学习一下

muzhengdong

花了不少心思，一个好的设计就是要时间来讨论

李孙华

牛，很不错，是设计良方，

ywlzh

lkl0305

多谢楼主分享，我也来学习学习哈，非常详细，回头跟着楼主来做做

dwwzl

如何设计acdc？

pywmiss

工作变得SO EASY