【对比方案赛】+基于TMS320LF2407A芯片DSP控制板3.3V@1ALDO电源对比

fengye5340

【对比方案赛】+基于TMS320LF2407A芯片DSP控制板3.3V@1ALDO电源对比 [复制链接]

本帖最后由 fengye5340 于 2014-8-14 07:46 编辑

【方案介绍】

在多功能控制板电源电路设计中，5V电源到3.3V电源的转换是很多工程师必须要解决的问题。首先，5V电源是很多器件的供电电源，是最常用的电源。3.3V是大部分低功耗MCU和其它数字及模拟产品采用的标准供电电源。在一个采用了MCU/DSP核心的控制板中，要实现5V到3.3V的转换，是采用DC-DC开关电源芯片还是LDO芯片好呢？这个要从两个方面进行综合考虑。第一个方面，要理解开关电源芯片和LDO芯片的优缺点。第二个方面，要看控制板采用的MCU核心是3.3V供电还是1.8V供电。

在第一个方面中，DC-DC开关电源转换效率高、发热量小，但输出电压精度不高，输出纹波较大，电路需要的外部元件较多，对电感和电容要求较高，占用PCB面积较大。LDO电路简单，外部仅需接入几个滤波电容即可，成本低，噪音低，静态电流小，在压差接近时，效率较高。如果MCU采用的是标准3.3V供电，那么采用LDO芯片实现5V到3.3V的转换是合理选择。如果系统采用的是低功耗MCU或者DSP，FPGA，那么可能后级还会涉及1.8V,1.5V.1.2V的电压实现，3.3V只是一个中间电压点过度，采用DC-DC芯片是理想选择。

现在这些方案是以前做的控制板，采用TI经典DSP器件TMS320LF2407A芯片，它是专门为了满足控制应用而设计，具备40MHZ时钟，32KB FLASH,16位定点DSP，在corterx-m4产品出现前，具有很高的性价比。为了实现复杂的控制应用，控制板集成了外部SRAM,达林顿管驱动器，缓冲器，高性能ADC,DAC芯片等。在这样多外设的情况下，电流消耗比较大，传统常用的AMS117-3.3/LM117-3.3已经不能满足要求了，因为它最大电流只有500mA。根据实际应用需求，输出电流在1左右的LDO才是比较合适的。通过多方资料查找和去官网选型，找到了一款最大输出3A的LDO电源，它就是TPS75733芯片。

选择LDO芯片，压差Dropout、噪音Noise、电源抑制比（PSRR）、静态电流Iq，这是LDO的四大关键。TPS75733最大输出电流3.0A、固定电压 (3.3V)、快速瞬态响应、125uA低静态电流。工作温度：-40℃~125℃。具有热关断功能，在当时算是比较热门的芯片。它具有TO-220封装和T0-263封装外观，焊接也比较方便。下面是它的电路应用图和封装图：

下面是在三个不同项目应用的LF2407A控制板电源设计实物图片，控制板采用四层板设计，因为是产品，这里只截图电源芯片本身。

      后来的电源部分都增加了测试点。  现在，TI推出了电源选型和仿真功能Webench，有了这个工具，选择电源芯片那就非常容易了，不像以前需要多方查找资料，得去官网把相关的电源芯片参数看一遍。
      下面利用Webench这个工具设计一款针对TMS320LF2407A控制板的5V转3.3V@1A的LDO芯片，并和实际使用的TPS75733芯片进行详细对比。这里不用Webench设计5V@3ALDO的原因是，在里面没有找到芯片方案！截图：

在 Webench设计中，也没有采用【FPGA/uP】工具进行设计，是因为里面没有 TMS320LF2407A这个MCU型号，只有采用电路电源方式进行设计了，下面是具体的设计过程！

【WEBENCH方案设计】

步骤一开启设计

首先点击工具图标左上角的【电源】及红色字体【开始设计】，如上图：

步骤二设定参数

在出现的默认参数界面里面，设定参数：最小输入=最大输入=5V,输出：3.3V，输出电流1A, 然后点击重新计算按钮。

在【电源类型】选项【ALL】时，可以看到系统推荐了341个方案。从侧面也说明这个5V到3.3V的转换芯片是多么常用和重要！这里我们选择【LDO】类型，排除其它芯片方案。

选择【LD0】后，还剩下22个芯片方案。因为TPS75733采用TO-263封装设计，占用空间较多，这里选择类似的芯片方案进行对比。

步骤三选择芯片

将22个方案快速浏览一遍，通过Webench的【Visualizer】和【泡泡图】工具，很容易比较各个方案的成本，效率和体积！比较好，选择了LP38500-ADJ芯片方案！

步骤四生成设计方案

在方案中，没有提供仿真选择，这里把设计报告打印，导出原理图文件。
方案原理图截图：

方案效率及电源抑制比截图：

方案BOM截图：

方案工作数值表：

   方案生成的设计报告和原理图文件附件：

webench_design_1284796_4021_139253067.pdf (63.89 KB, 下载次数: 3)

webench_schematic_exchange_design_1284796_4021_Altium.zip (20.13 KB, 下载次数: 3)

【方案对比】

利用Webench工具产生LP38500-ADJ芯片方案后和实物TPS75733芯片进行详细对比，制作如下表：

比较项目	实物使用芯片--TPS75733	Wenbench芯片--LP38500-ADJ
方案设计时间	2周以上（查找资料，官网选型时间,设计原理图时间）	小于5分钟
BOM数量及成本	电源芯片+2-4电容=3-5 成本：接近20元目前芯片官网价：2.9美元/1k	电源芯片+4元件=5 成本：0.71美元< 5元
方案效率	控制板上电负载电流： 0.88A时，效率测算：52.6%，据此推算：1A时，小于55%左右，条件受限，没测试。	根据效率表，1A电流输出时，效率大于65.8%。
占用PCB面积	400mm2(顶部和底部都占用)底部放电解电容	162.0mm2
负载能力	最大电流：3A,负载强	最大电流：1.5A,实际使用要打折
PCB封装	T0-263	DDPAK/TO-263
输出噪音	35uV(rms)	100uV(rms)
PSRR @ 100KHz (dB)	13 dB	25dB
静态电流	0.12mA	2mA
保护	过流保护，热关断	过流保护，热关断

      从图表数据上看，TPS75733芯片方案要比LP38500-ADJ芯片方案优秀很多，特别是LDO的关键特性方面，除去压差特性，其它噪音，电源抑制比，静态电流参数都要好于后者，两者都带有过流保护和热关断。封装也都有TO-263封装，但芯片成本方面，前者是后者的4倍。从设计者考虑，采用LP38500-ADJ芯片方案才是一个合理的选择,受限于当时条件没法进行这样的对比，只能简单对比和查找资料确定型号。成本，效率，体积都占有优势！这个也是webench工具体现的芯片设计特色！
      通过上面详细的数据对比，可以看到，在不使用webench工具的情况下，选择出来的芯片方案从成本、效率、PCB占用面积方面来说，都不是最优的！在不使用webench工具的时候，进行电源芯片方案选型，需要从官网，论坛等获取相关信息，并选择几个相似芯片进行比较，从而确定相对性价比的方案，但存在如下缺点：
      1、时间花费巨大，有时候为了选择一个合适的芯片需要搜索几天的资料才能了解相关信息，厂家芯片种类很多，有时候看多了都不知道如何下手选择，在几个芯片之间犹豫不决！
      2、硬件设计比较费时，虽然电源电路相对简单，但做原理图符号和PCB封装，如果用以前的最好，也是花费时间。

而采用webench工具设计的芯片方案，可以直接应用，包括原理图，PCB封装，甚至PCB布局设计，并且webench工具可以支持电源芯片的仿真，这个可以减少前期的芯片电路验证，缩短设计时间。另外，详细的BOM材料清单，提供了标准的元件参数，包括型号，规格，厂家，这个在设计时，具有很重要的参考价值！有很多电源故障都是因为使用外部元器件参数不当造成的，比如常见的电感漏感，导致芯片发热故障！详细的工作数值表格，让工程师对芯片理解的更加透彻，这个在自行设计时，是没有的，只能靠经验。

总结：采用webench工具能够快速得到芯片方案，减少电源部分的设计时间，不过webench工具目前还不能包含官网所有电源芯片，有些芯片在webench里面找不到，所以在设计电源电路中，在采用webench工具同时，也要去官网查找相关电源芯片资料，将两者有机结合，才是快速设计的捷径！

附件：两个电源芯片的DATASHEET

tps75733.pdf (853.67 KB, 下载次数: 4)

lp38502-adj.pdf (1.3 MB, 下载次数: 4)