【我与WEBENCH】用WEBENCH做的LM3224锂电Boost电路测试以及与设计报告性能对比

地瓜patch · 发表于2013-12-27 19:03

【我与WEBENCH】用WEBENCH做的LM3224锂电Boost电路测试以及与设计报告性能对比 [复制链接]

本帖最后由地瓜patch 于 2013-12-27 19:47 编辑

【一前言设计思路】

众所周知TI是芯片厂家，当然也做软件了。TI推出了WEBENCH，推广的力度超级大，各大论坛都能看到WEBENCH的活动。

针对端到端电源供应系统设计，工程师可以利用WEBENCH 以及建模工具去设计符合个别系统特殊要求的供电系统或电源转换器；也可利用这套工具设计一款满足各种独特设计要求的开关稳压器或场效应管控制器，并确保在建模前就已将开关电源供应系统的所有设计问题彻底解决。

总是使得人类的生活越来越便利安逸是科技进步的前提。

采用 WEBENCH 设计工具，只需进行几个步骤便可创建一个设计：

1）定义系统的性能要求，包括光输出、传感器精确度或输入电压及输出电压和电流，元件温度

2）选择采用的 FPGA、LED 或组件供货商

3）可从大小、成本、效率和简易度评估最后得出来的完整解决方案

4）分析和调整最后得出来的拓扑和元件供货商

5）打印项目或设计报告或订购完整建模套件

   移动便携设备一直以来以其移动和便携性广受大众欢迎，而设备的续航能力与其功耗及电池的容量总是矛盾关系。
   随着技术的发展和进步，移动设备电源不断在演变从锌锰干电池到铅酸电池到镍氢/镍镉电池到现在广泛普及的锂电池。能量密度越来越高，便携功能越来越强。
   基于种种考虑及条件限制，某些便携移动设备，需要5v电源电压。就如某些设备需要9v或12v或24v电源一样。从能量密度与安全性角度的考虑, 锂离子电池或锂聚合物电池的优势己成为便携设备的首选。
   本应用方案就是采用锂电池供电，升压芯片选用经济实惠易用易测试的TI芯片LM3224.需要强调的是，本应用方案只考虑锂电池的放电；充电不在本应用方案之列。LM3224的众多特性如下：

大体思路是，先评估负载所需功率；然后元件选型，元件要方便焊接调试；然后是作图做样板；然后是样板测试；最后才是将样板电路整体放到目标设备中。下边进入正题，侧重在于LM3224的电路调试及带载评估。

上图为开始设计前输入参数。

上图为根据设计要求WEBENCH生成的可选元件

如上图在WEBENCH设计中配置输入电压从3.6V到4.2V输出直流5V@0.8A。实际上一般便携设备10-200mA电流就已经足够。WEBENCH设计的原理图如下左图（也可见附件文档3），当然实际测试中也参考了TI的应用笔记AN-1394，如下右图（也可见附件文档2）

【二设计结果】

针对本次电路应用方案设计参数如下：

WEBENCH ® Design Report

Design : 1637428/633 LM3224MM-ADJ/NOPB

LM3224MM-ADJ/NOPB 3.6V-4.2V to 5.0V @ 0.8A

VinMin = 3.6V

VinMax = 4.2V

Vout = 5.0V

Iout = 0.8A

Device = LM3224MM-ADJ/NOPB

Topology = Boost

Created = 9/17/13 1:17:40 AM

BOM Cost = $1.72

Total Pd = 0.7W

Footprint = 303.0mm2

BOM Count = 10

【三pab样板】
WEBENCH的设计结果已经出来了，下面根据设计结果做出电路板并测试，主要对比效率等参数。做了一块pcb样板，尺寸大约35x30mm。元件当然没有按照bom表来配，因为买不到bom表中对应型号的散件，所以就拿手头上现有的元件来搭配了。电路板如下图：

【四空载测试】
下面按照一般电路的测试方法从头到尾一步一步调试（这个电路板焊上元件后输出就是正常的，比较幸运）。因为一开始电路板肯定不会是正常的，所以首先要在空载情况下将电路调整好以后在带载测试。用稳压电源作为pcb电路板的供电电源，将其设置为3.6V输出，将pcb电路板接入电源，Vin接稳压电源的正端，GND接稳压电源的负。
读LM3224数据手册（可见附件文档1），手册中提示该芯片

就是说LM3224的工作频率615KHz/1.25MHz是可通过外置电路来配置的，我将FSLCT引脚通过跳线接地了芯片工作在615KHz，如上图pcb上的跳线。当然也可以接高，也就是接Vin，电路正常的话，输出也会是欲得到的目标电压值。

数据手册中还提示

若电路正常这个引脚上的电压就应该是1.26V。如下左图黑表笔接地，红表笔接在pin2/FB上，也就是下图中6.98K和20k的公共端。测得电压如下右图

通过以上测试得到pin2/FB引脚的电压为1.26V，可以肯定LM3224是正常工作了。测试输出电压，如下左图，依旧黑表笔接地，红表笔接Vout。
需要多说一句的是，一开始输出电压为6.7V，后来检查一通，发现把两个分压电阻中的下位电阻焊错了，更换电阻就好了。因为找不到正好合适的输出5V的电阻配置，所以只能将电压配置在了5.24V。输出电压结果如下右图。

输出电压的计算公式可从式

（该式在附件文档1中page16）中倒推出来，不做过多赘述。

以上测试步骤的结果表明，在空载的情况下，利用LM3224做的升压电路从3.6-4.2V到5v的升压转换的目的达到了。但是带载情况怎样呢？会不会接上个10K负载电压就跌倒3V呢？

【五带载测试一】
下面做一下带载测试，没有太大的真实负载，就用电阻做替代了。
从LM3224的数据手册中可看到

，这里我将2.45A作为其在7V输入下的最大输入电流来看待，为什么说是在7V下2.45A呢？因为数据手册中还说了其输如电压范围

这样，根据能量守恒 7x2.45=5x 得到 x= 3.43A （这样计算不知道是否正确？待带载验证）

第一个带载实验，电路板输入3.6V，输出5.24V带 5 ohm电阻。手头没有大功率电阻，用两个10 ohm 1/4W的金属膜电阻并联做5 ohm用。这样输出电流大约为5.24/5 = 1.048A（纯电阻负载，实际电路中负载会包括阻性负载容性负载以及感性负载）。电压实际测试如下图,电压基本没跌。LM3224没有发热。输入电流为Ii = 1.83A；输出电流计算为Io = 3.6x1.83/5.22=1.269A，1.048与1.269的差为0.22A，猜想0.22A消耗在电路中了？

注，为防止电阻冒烟，随时准备断电。

将万用表串在负载电路中（更换表笔在万用表上的接法），电流测试如下图。输入电流为Ii = 1.56A 输出电流 Io=0.876A。实际测得值与计算值还是有较大差别的。5.22*0.876 / 3.6*1.56 = 0.8142 ，该负载下LM3224的效率只有 81.42%？求技术高手斧正！！感谢
假设0.876A电流评价分配在两个电阻上，那么每个电阻的电流是0.438A，而10 ohm @ 1/4w电阻的标称电流约为Ir = 0.158A。电阻明显过流。

【六带载测试二】

第二个带载实验，电路板输入3.6V，输出5.24V带 2.5 ohm电阻。依旧用四个10 ohm 1/4W的金属膜电阻并联做 2.5 ohm用。这样输出电流大约为5.24/2.5 = 2.096A（纯阻性负载）。电压实际测试如下图,输出电压Vout = 3.965V，输入电流Ii=2.3A。电压跌了将近1.25V。可知LM3224带不了2.5 ohm纯电阻负载。

注，为防止电阻冒烟，随时准备断电。假设Io=2.096A电流平均分配在四个电阻上，那么每个电阻上的电流为Ir=0.524A，明显过流。在过载的情况下测量负载电流没有多大意义，所以测量负载电流的步骤略过。

【七带载测试三】
第三个带载实验，电路板输入3.6V，将负载减小为 3.33 ohm电阻。依旧用三个10 ohm 1/4W的金属膜电阻并联做 3.33 ohm用。这样输出电流大约为5.24/3.33 = 1.57A（纯阻性负载）。电压实际测试如下图,输出电压Vout = 4.53V，输入电流Ii=2.2A。电压跌了将近0.7V。可知LM3224依旧带不了3.3 ohm纯电阻负载。

注，为防止电阻冒烟，随时准备断电。假设Io=1.57A电流平均分配在三个电阻上，那么每个电阻上的电流为Ir=0.523A，明显过流。也不测量负载电流了。

【八带载测试四】
第四个带载实验，将电源电路板后带一块ARM7的电路板，其功耗大约为200mA（这里就不是纯电阻负载了，阻性负载容性负载感性负载都有）。考虑到ARM7电路板的负载不大，不会过载，也就不会将输出电压拉低，所以直接没测输出电压，直接将万用表串在负载回路测电流。如下图

【九测试结果分析与WEBENCH报告文件对比】

试计算一下LM3224芯片的转换效率 P = 5.24x0.186 / 3.6x0.31 = 0.873 很给力啊。从WEBENCH的设计输出文件（附件3对应的文件）中可以找到LM3224的效率图表如下图。

红色代表3.6V在不同负载下的效率曲线，从上图中可以读取0.19A时的效率约为0.887与本pcb样板效率0.873相差0.01.大胜利啊

由此联想到第一个带载实验中，0.876A的负载下电源转换效率为0.8142.在这里从WEBENCH的输出文件里验证一下。因为0.876A的电流超出了附件3的0.8A设计输出。因此重新在WEBENCH中设计如下方案，设计方案输出结果见附件4

从附件4中可以找到效率曲线图如下图

从图中红线可以看到在负载电流为Iout=0.876A时效率为0.857，与2楼计算结果0.8142相差0.0428。差距有点大。猜想这样的差距产生的原因有以下几点，一是元件参数性能的影响，二是pcb布局及走线的影响，三是焊接的影响

【十强大的WEBENCH还有其他多项功能】

WEBENCH设计环境还为工程师提供了创建电源或转换器所需的全面设计和原型建立工具，能够有效地满足工程师的设计要求。

上图为WEBENCH的优化功能，该功能能够对设计出的电路进行优化操作。

WEBENCH工具让工程师在建立原型前解决开关电源的设计问题，进而减少使用传统设计方法时的时间及麻烦。同时，WEBENCH还可用作组件筛选工具来为研发工程师的各种应用或开关电源解决方案找到最佳的稳压器或场效应管控制器。大部份新推出的元件均获得WEBENCH的全面支持，包括最新的 SIMPLE SWITCHER稳压器和 MOSFET 控制器。所有这些设计工具皆可通过 WEBENCH Visualizer 接口向用户提供多个不同的完整系统选择，一目了然的数值比较！设计工程师可微调设计结果，而且可通过 WEBENCH 优化旋钮得出大小、效率和系统成本的最有效算法。

上图为WEBENCH的仿真功能，在该软件中能对设计电路进行仿真。以坐标曲线的方式表达。比较直观形象。

WEBENCH 设计工具可以在数秒间创建和展示出所有符合设计要求的可行方案，包括开关电源、照明系统和传感电路等，让工程师可在决定设计方案前，从系统和供应链的角度比较来自不同设计的数值，而这种专业的分析工具对工程师来说非常贴心。

上图为WEBENCH的检视 / 编辑功能，该功能是对多电源电路设计中的各个模块在供电，成本，尺寸等方面的分析评估。以饼图的方式呈现，非常直观。

WEBENCH强大便利是一方面，设计输出文件对各参数的图表描述完全可以作为实际参数参考使用。

上图为WEBENCH的导出（export）功能，该功能可以将设计的电路导出为Altium，Candence，Mentor，CadSoft，P-cad等等专业作图工具所能识别的文件，非常贴心。
WEBENCH的所有设计存储在 TI 服务器上，电工可以在以后检索。通过转到http://www.ti.com页面右侧的WEBENCH面板并点击MyDesigns链接实现查看。下图是我的设计列表。可以查看你所做的所有设计。

【十一总结】
通过近一段时间的使用，发现WEBENCH除了现行的稳压器/控制器以外，德州仪器的全新集成式 SIMPLE SWITCHER® 电源模块也获得 WEBENCH Power Architect 的支持，确保系统达到低零件用量、最小尺寸、业内最好的散热表现和最低电磁干扰(EMI)的目标。
1）可迅速设计和仿真整个电源供应系统
2）可轻易地针对电压和电流去配置电源供应系统的负载要求
3）可为整个系统优化大小、效率和 BOM 成本
4）可取得整个电源供应系统的原理图和 BOM 清单
5）可执行电气仿真和温度仿真
6）可创建一个记录了原理图、BOM和电气操作数值的电源系统 PDF 文件
感觉用webench来做电源方案设计非常方便，出设计结果也很快。给设计工程师提供很大便利。原理图可以直接拿来使用，BOM表可以作为参考，参数表可以用来分析评估... 非常人性化的一款辅助设计工具。

WEBENCH强大便利是一方面，元件LM3224电源转换效率也很高，如以上所述，0.8A的负载下效率不低于0.8，而且实际测得转换效率与附件3中给出的效率曲线相差不大。由此可见WEBENCH设计输出文件对各参数的图表描述完全可以作为实际参数参考使用。

如电路板实物图所示，该电路只需几个阻容元件，一个续流二极管，一个功率电感，用直插元件，成本有限，打样的电路板尺寸只有35x30mm，若采用贴片元件，样板面积会进一步减小，在移动便携设备对体积要求苛刻的情况下具有很高优势。

最后，TI是一个专业的元件生产商，为广大设计工程师考虑而推出的免费在线设计工具WEBENCH。很给力！真的给力！

【十二参考资料】

附件：

1 AN-1394 LM3224 Evaluation Board.pdf (60.79 KB, 下载次数: 1)