【对比方案赛】+基于LMZ10503易电源模块的5V转3.3VDC-DC电源设计
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本帖最后由 fengye5340 于 2014-8-24 16:11 编辑
一、方案介绍
在5V转3.3V的芯片选型上，前面已经讲到，TI已经给出了非常多的优秀方案，采用Wenbench工具推荐的芯片方案有几百种，这里就不再介绍了。在5V转3.3V的众多芯片方案中，主要有DC-DC方案和LDO方案。上一篇对比方案已经详细介绍了LDO芯片的特点和应用范围，主要是面向中低端DSP/MCU，适合直接进行3.3V供电的器件！而DC-DC方案的5V转3.3V电源一般是作为中间级过渡，为下一级电源如2.5V/1.8V/1.6V做电压铺垫！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，对于电路空间有限的应用场合来说不太适应，比如微型设备，手持设备。它主要面向工业控制设备和大型控制设备的应用。
在开关电源选型中，TI单独提供了一个性能出色的电源系列产品，它就是【Simple Switcher易电源】。顾名思义它是一个非常容易控制的电源，同过去分离式方案相比，SIMPLE SWITCHER现在新推出的方案是一种更为集成的解决方案，它把MOS管和电感都集成在芯片内部，这样它就具有了明显的优势：把外部的元器件减少，优化了电路的设计，使用户不需要考虑怎样的电感、怎样的MOS管，以及选择设置如何高的开关频率。它不但有效的节省了PCB面积，还有效的减少了电磁干扰。举例来说，以前常用的LM257X/LM267X DC-DC电路中，都会需要前级和后级有大容量的电解电容，后级需要1N5819/1N5824这样的续流二极管，还要有一个容量符合条件的电感器，一是器件占用的面积非常大，二是电感质量不好判断，购买到非品牌电感后，导致电感容量出现偏差较大，造成电路不稳定及干扰较大，而采用易电源芯片后，外部不需要电感器件，可以有效避免这个问题。
下面是采用webench工具设计的一款基于LMZ10503易电源模块方案的5V转3.3V@3A的电源方案，并对芯片方案进行了深入测试，并和理论设计（webench设计报告）进行了详细对比，希望此次分享能够为大家带来一些易电源模块的应用体会！
LMZ10503 SIMPLE SWITCHER®电源模块是一种全方位、易于使用的直流/直流解决方案，可提供高达3A的负载电流并且具有极为出色的电源转换效率、输出电压精度、线路和负载调节能力。LMZ10503采用创新封装模式，提高了散热性能并可手工或机器焊接。LMZ10503可以接受2.95V和5.5V之间的输入电压轨，并提供低至0.8V的可调高精度输出电压。1MHZ固定频率脉冲宽度调制开关产生可预测的电磁干扰特性。可以通过调节两个外部补偿元件设置其最小响应时间，同时允许选择使用陶瓷及/或电解输出电容。外部可编程软启动电容有利于控制启动。该LMZ10503是一种可靠、稳健的方案，具有以下特点：针对过流或短路故障提供无损逐周期峰值电流限制、热关断、输入欠压锁定和预偏置启动。
它的特性如下： 1、集成屏蔽电感器 2、使用外部的软启动、跟踪和高精度使能端，可以实现灵活的上电时序控制针对浪涌电流以及输入欠压锁定和输出短路等故障提供保 3、工作温度范围-40℃至+125℃ 4、采用整块的裸露焊盘和标准引脚，更易于装配和制造 5、引脚到引脚兼容设计： 6、可得到WEBENCH® 和电源设计软件的全面支持
下面是它的应用框图和封装图：
LMZ系列易电源模块唯一的缺点是价格太高，它面向中高端应用，设计DSP/FGPA控制板时，可以考虑一下这款优秀芯片，我们后期打算将其用在TI C6713为核心的DSP硬件平台中。附图LMZ10503芯片零售价，一个中端MCU的价格，呵呵
二、WEBENCH芯片方案设计
下面是利用TI WEBENCH工具生成LMZ10503芯片方案的过程：
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】，如下图：
参数设置
点击上面的【开启设计】后，系统会载入FLASH界面，并出现下面的默认设计界面：
选择新设计，进入方案选择界面，在里面选择【 SimpleSwitcher】，界面如下：
把下面的参数输入：Vin Min =5V, Vin Max =5V,Vout 3.3V Iout 3 ,温度30℃默认。然后点击图中的绿色按钮【Show Recommend Power Management ICs】,然后进入下一步，
开启芯片设计
等待几秒钟后，出现如下界面：
下面是系统自动根据输入电压、输出电压和输出电流推荐的易电源芯片方案，上边是优选的两个方案。一个是模块，一个是芯片。在模块中，LMZ10503被优先推荐，此外下方给出了30个芯片方案！在方案预览界面中，系统已经给出了【原理图导出】【热仿真】【仿真】【编辑】，【效率】，【封装大小】【开关频率】【BOM成本】【BOM数量】【电流大小】【模块成本】等简略信息，这些信息有助于更好的选择不同芯片方案。 选择LMZ10503芯片模块开启设计，进入最终的设计界面，截图如下：
菜单栏提供了各种信息的链接，包括【BOM】、【图表】、【原理图】、【工作数值】、【仿真】、【热仿真】、【采购】、【编辑】、【Export】、【打印】、【分享设计】等。主界面信息量非常多，上面是菜单栏，下面左上角是更改电压输入的菜单。左下角是器件的【占空比】，中间是【原理图 】和【操作值】，右边是【材料清单】和【设计文档】栏。下面分别说明：
【重新设计】：在方案左上角有电压参数和电流参数修改，如果对当前方案不满意，可以更换输入电压、输出电压和输出电流，这样会重新生成新的芯片方案。
【图表】：点击图表菜单，可以看到LMZ10503芯片的占空比
这个占空比计算：D=Vout/Vin,理论值是：D1=3.3V/5=0.66,报告给出的值，考虑了电流影响，在0.663~0.681之间，实际电路测试也不太一样。因 为对性能影响较小，这个参数仅作了解 【原理图】：通过原理图菜单，我们可以看到方案生成的原理图，在这个原理图中，可以对其中的电路元件进行选择和编辑，以适合自己的物料情况。在右侧可以对电路进行热仿真。下面是热仿真的截图：
通过热仿真，可以对LMZ10503 芯片的PCB 工作温度有深入的了解，方便电路设计。
【材料清单】：这个就是BOM ，里面详细给出了所需元件的各种信息，同时支持对LMZ10503 芯片外围器件的替换选择，并支持EXCEL 表格导出。LMZ10503 的清单截图如下：
点击右边的选择替代元件，可以实现对现有元件型号和参数的替换。因为器件阻容参数值都是常用的，所以这里采用了默认!在清单里面，可以看到，阻容器件用的都是国际大厂器件，比较正规，而进行实际电路测试时，采用的器件来自电子市场或者淘宝，质量会有差别，造成性能测试也是有不少差距!
【 工作数值】：里面详细给出该电路的各种操作点及说明，见下图：
【仿真功能】WEBENCH工具支持对电路的仿真功能，让我们在设计电路之前能更详细地对电路方案进行评估，目前软件提供【Bode Plot】、【Steady State】、【Input Transient】、【Load Transient】和【Startup】五种类型仿真。仿真截图：
【 采购功能】：WEBENCH工具集成了一个采购功能，点击绿色图标的采购按钮，会出现如下界面：
这里详细给出了每个元件的价格和厂商信息，可以直接进行购买，对于批量生产的产品，这个功能比较好的。点击右上角的图片，会直接进入TI官网的LMZ10503产品页面，这比通过搜索引擎进入是方便的。【快捷工具】：在WEBENCH工具里面提供了一个快捷工具功能，通过它，可以快速得到设计文档和文件，如果时间紧迫，只希望得到这些文件，不想详细看界面提供的图表和仿真，可以通过此功能。下面是功能截图
第一项是评估板，该LMZ10503有评估板可以提供PCB 布局参考！以及评估板的GERBER文件，如果自己制作评估板比较麻烦，而购买TI原装评估板价格较高，可以自己打样评估板，焊接后，进行测试！设计文献资料就是设计报告，仿真报告等PDF文档了!【 导出原理图】在WEBENCH工具里面，支持导出原理图功能，支持的格式比较多。在导出时，选择目前常用的Altiumdesigner格式，并支持器件LIB库。右边还有PCB的Layout参考设计。可以说，有了这些参考设计资料做保证，电源电路的设计风险已经降到了最低。下面是导出原理图和PCB的截图：
打开原理图包和PCBlayout包后，原理图和器件封装都做好了，直接进行简单修改就可以使用了。
在PCB参考里面，系统给出了LMZ10503评估板的PCB版图，见下图：
LMZ10503芯片的PCB封装，不用自己花时间制作了
有了这个开源PCB版图，设计就方便很多了! 【打印报告】在这里有三个选项，可以打印【基本报告】、【仿真报告】和【组装报告】因为WEBENCH服务器问题，只能打印基本设计报告，组装报告和仿真报告无法打印, 下面是打印报告截图：
通过基本报告内容，我们可以看到，LMZ10503芯片方案整体稳态效率：93.896 % ;BOM元件数量：9个，成本：3.88美元，其中LMZ10503成本3.75美元。 三、LMZ10503芯片测试
在拿到LMZ10503芯片后，就用万用板搭建了一个电路进行测试。下面是详细过程!首先保证电路电压输出正常：根据设计报告的电路参数进行电路搭建，因为手头没有2.7nF的电容，就用两个1nF的电容并联。下面是制作的测试电路：
采用贴片器件，这里都在一面进行了焊接。理论上的输出电压计算公式：
电压输出由Rfbt和Rfbb来决定，这里WEBENCH方案推荐的是Rfbt=75K,Rfbb=24K, 这样计算一下：V1= 0.8×(75+24)/24=3.3V, 数据手册推荐的是：Rfbb=23.7K
V2= 0.8×(75+23.7)/23.7=3.3316455696202531645569620253165V在测试中，采用了24K 的方案，测试电压图如下：
可以看到，V3=3.3198V，这个比方案3.3V的电压要高，比数据手册器件产生的电压要低，这里测试用的75K和24K电阻都是1%精度的阻值！
下面再测试效率，因为没有采购电子负载，用功率电阻进行了测试！ 下图是接功率电阻时的测试图，输入电压：Vin =5V,输入电流：Iin=0.08A, 输出电压;Vout=3.3113V.受万用表精度，有误差。
再来一张输出电流图：
可以看到，输出电压：Vout=3.3121V,Iout=0.09A 。这样就可以计算效率了：这里电压精度问题，输出电压的最后两位有跳动，我们取Vout=3.31V 进行计算。
效率
η=(Vout×Iout)/(Vin×Iin)×100%
=(3.31×0.09)/(5×0.08) ×100%
=0.2979/0.4×100%
=74.475%
下面是设计报告中的效率图表，可以看到，在0.25A 以下时，效率会低于90%, 与报告符合，鉴于条件所限，没有深入测试，这个后期会利用电子负载进行全面测试，并在板子上验证。
四、实际电路与WEBENCH生成方案对比
| 比较项目 | LMZ10503实际电路 | LMZ10503 Webench设计报告 | | 成本 | 实际购买,单个芯片超过30元。从TI代理商和网络购买渠道。 | 整体成本3.88美元 < 30元 报告给出的成本只是有一个预估成本，按照1000PCS量估算。 | | 方案效率 | 根据实际测试表明，采用的元件和外部条件，影响了电路效率，在0.1A时测试，效率74.475% | 根据效率表， 最低90.5%，最高95% 根据推算，在0.1A时，效率在80%以上! | | 保护措施 | 此处测试表明，欠压保护其作用，短路保护不理想，芯片损坏。 | 输入欠压锁定、短路保护 | | 面积 | 大于400mm2 | 253mm2 |
通过上面的对比，可以看出，利用WEBENCH工具生成的电路方案，从成本，效率，面积和保护措施方面，还是有些差别。在成本方面，设计报告给出的是一个理想价格，也就是批量价格，而实际设计电路时，这个价格根本买不到芯片，因为要经过销售商，代理商环节，这个价格被拉高,下图；
WEBENCH方案推荐的外围器件都是知名品牌，质量好，测试效果理想；实际设计时，购买的器件从渠道上有些是正规代理商，有些是零售渠道，质量稳定性影响了测试的效率；在器件保护措施上，根据芯片手册给出的保护措施只针对特定环境，不能包括所有，在测试此LMZ10503芯片时，进行短路测试时，损坏了两颗IC，这个还得额外增加一些保护措施；在PCB面积上，设计报告给出的是严格按照理论设计的PCB布局，占用面积可控。而实际设计电路时，因为采用元件封装标准的不同，增加保护电路等，肯定PCB面积会超过理论设计报告给出的指导面积！
五、总结
在使用WEBENCH工具进行电源电路设计时，一定要做好前期的电路验证工作，对电路优化和全方位测试后，再制作电路板！不要偷懒而直接采用方案中的电路制作PCB板，那样容易出现一些小的问题！对于LMZ系列易电源产品来说，它们性能非常出色，在设计高端，高稳定性产品的电源方面提供了一个优秀的解决方案！
六、附件
lmz10503.pdf
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webench_design_1284796_4218_675588293.pdf
(77.49 KB, 下载次数: 9)
webench_schematic_exchange_design_1284796_4218_Altium.zip
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webench_design_1284796_4218_675588293.pdf
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