【我的WEBENCH得意之作】基于TPS54821和TPS7A4700的供电系统

ly6277895

【我的WEBENCH得意之作】基于TPS54821和TPS7A4700的供电系统 [复制链接]

(1)   设计目标：

• 12V供电电压通过两路DC-DC分别得到7V和5V的供电；
• 两路均要求高效率，不用控制成本；
• 7V通道需要满足低噪声（DC-DC之后过LDO）；
  

(2)    设计思路：

通过TI官网主页的WEBNECHDesigner工具，设置基本的电压、电流、温度等参数；然后按照希望达到的效果，调节WENBENCH优化工具，获得最符合自己要求的解决方案。

(3)    WEBENCH设计过程：

    a)   点击“开始设计”，进入如下界面。主要功能选择集中在下面四个方框，下面依次介绍。

          通过下面四步可以快速有效的选出符合设计需求的设计方案！！！

         

         图1：可以根据设计要求（最小面积，最低BOM成本，最高效率等）来优化设计。
       -->本设计对效率要求较高，而对板子面积，BOM成本均没有要求，故此处将优化调节到5（最高效率）。

  

        图2：可以根据功能特性更快捷的筛选器件，例如（是否带有开关引脚；开关频率是否可调等）个人定制功能。也可以选择电源类型（LDO或者开关电源等），封装（LLP、TSSOP等）。

        图3：调节细节参数。包括效率，输出纹波噪声，覆盖面积，开关频率等等参数。可以极快速的筛选出满足需要的器件。
      -->本设计对效率要求很高，故将滑钮调节到97%，将Vout-pp调节到20mV以下。

        图4：基于以上三步的设置和筛选，最后看到就是适用的解决方案。可以根据自己的综合要求选择最合适的一个。
      -->本设计按照效率排序，最后选择了如图所示的TPS54821。

    b)    下图是TPS54821方案的所有特性。

• 包括效率曲线，占空比曲线；原理图；热仿真；材料清单；可以导出各类PCB设计工具（Altium Designer、Cadence等）所需的原理图，芯片封装和PCB版图。超级赞！再也不用担心画错封装了！！！
  

• 其中的材料清单选项是另一个可以更改设计选项的地方。可以更改设计中使用到的电阻、电容、电感。可以选择不同厂商的，不同封装大小的，甚至是电感值，但是最终也会影响电源效率曲线等。
  

      -->本设计选择电感，不考虑面积和大小，考虑最多的是电感自身的损耗。功率耗散只有0.008。
          （电感的实物也真是超级大，后面见图）。

• 推荐热仿真设计，可以很直观的看到DC-DC发热部分，对实际设计布局很有帮助。
  

    c)   导出设计。

          点击“Export”按钮。可以导出各类PCB设计工具所需的原理图，封装库，和Layout。
          点击“打印”按钮。可以导出原理图，材料清单，特性曲线等内容。
      -->本设计选用Altium Designer。依次导出AD的原理图和PCB，供设计参考使用。

个人技巧强力推荐：很多电源芯片的封装是异型焊盘，自己画比较麻烦。建芯片的封装库的时候，打开从WEBENCH导出的PCB工程，可以直接拷贝芯片的封装到自己的PCB库，又快又不用担心画错！

(4)    实际设计过程：

    a)    完全参考给出的参考设计，绘制原理图。并制作封装库。

    b)     参考推荐的PCB布局（左图，隐藏了铺通），设计PCB（有图），如右图蓝色区域所选。

    c)     在DC-DC后级添加LDO：

              在需求分析里已经表明系统对噪声要求也较为严格。所以在DC-DC后级添加TI的一款极低噪声LDO（TPS7A4700），噪声只有4 μVRMS (10 Hz, 100 kHz)。

              TPS7A4700的电路设计如上面右图中绿色框内电路所示。

    d)    焊接制作板子：

             焊接制作成品板子，如下面两图所示。电感真是超级大，看着也超级爽。哈哈！

(5)    实际板子参数测量

    a)     用万用表测试电压输出。

             下图左右分别为DC-DC和LDO的电压输出。满足设计要求。

    b)     用示波器测试纹波。

             下图左右分别为DC-DC和LDO的噪声输出。DC-DC输出的纹波大概有27mV，而经过LDO（TPS7A4700）后，用现有仪器已经无法测试输出噪声。

              示波器所显示的是示波器系统自身的噪声。

个人技巧强力推荐：DC-DC噪声测量方法。

         因为DC-DC的开关频率一般都比较高，所以左图中，长的接地线和探针形成的环会产生一个高频的干扰。而右图中，用接地小环，基本上已经没有了环路，高频干扰噪声就会很小，这样测的得纹波才会比较准确。

(6)    设计与实际的比较

• 面积：实际板子设计要比WEBENCH推荐布局要更紧凑，更小；
• 成本：成本比列表所示贵。芯片是通过第三方渠道购买，成本更高；
• 效率：这里只测试DC-DC的效率，不包括后级的LDO。因为实际工作中，电感自身损耗的差异性，电阻电容的误差，环境温度，测试条件的不一样等等因素，导致DC-DC测出的效率没有达到推荐设计中的99%。
• 纹波：DC-DC实际输出的纹波27mV，略大于参考设计给出的16mV。同样也和纹波的测量方法有关。通过加入后级的TPS7A4700，可以使纹波大大降低，这是以牺牲效率达到的效果。
  

(7)    WENBENCH使用感受：

• TI的WEBENCH实在是越来越强大了，从开始的电源设计，发展到现在连滤波器也可以设计。电源设计覆盖也越来越全面，现在项目中电源模块的设计已经离不开WEBENCH。
• 流畅程度有了很大的进步，以前点“返回”按钮会经常卡死，现在完全没有压力，很赞；
• 功能越来越多，材料清单更换的内容也越来越多，设计更加轻松；
• 不过电气仿真功能加载速度是在有些慢，热仿真功能也有这个问题，可能跟这个工具是基于网页的有关；
• 仿真波形和热仿真无法保存到本地，暂时没发现怎么保存，希望可以添加这个功能；
• 导出Altium Designer工程，很多时候原理图工程无法打开，而且选择了导出Footprint LIB，但实际并没有。
• 最后一个可能有点强迫症，我总觉得WEBENCH的原理图画的有点丑，哈哈！
  

(8)   附件：

• 附件1内容本篇文章的PDF版本，方便大家下载。有什么地方有误还烦请大家指出，希望和大家共同学习进步。
• 附件2为从WEBENCH保存的包含各类参数的文档。
• 附件3为从WEBENCH保存的Altium Designer工程。
  

nemo1991

原文：本设计对效率要求很高，故将滑钮调节到97%，将Vout-pp调节到20mV以下。
我觉得这里可以改进：1.后集有LDO，所以可以极大地限制纹波，所以对纹波参数可以适当放宽；
2.而说的效率要求很好，使用了LDO如何要求效率？

ly6277895

nemo1991 发表于 2015-6-27 10:34
原文：本设计对效率要求很高，故将滑钮调节到97%，将Vout-pp调节到20mV以下。
我觉得这里可以改进：1.后集 ...

谢谢版主的意见！
1，这里是可以适当放宽的 我最开始设计的时候就没设置这个选项  这次是为了说明有这个功能，就稍微加了个限制，最后筛选出来的方案是一样的。
2，有了LDO是没有效率可言的，这里只是为了突出前面DC-DC的高效率，题目写的欠考虑。

pangtudou

very good

ly6277895

pangtudou 发表于 2015-6-27 14:04
very good

谢谢 大家共同学习进步

sunduoze

感谢楼主分享，又学习了，写的好详细、很全面！

ly6277895

sunduoze 发表于 2015-6-28 12:15
感谢楼主分享，又学习了，写的好详细、很全面！

一起学习

dvd1478

谢谢啦！下载来学习学习！

大秦正声

看看，学习。

captainiron

请问这句话“建芯片的封装库的时候，打开从WEBENCH导出的PCB工程，可以直接拷贝芯片的封装到自己的PCB库，又快又不用担心画错！”应该如何操作？谢谢