【我的WEBENCH得意之作】四旋翼电源设计

blacklili

【我的WEBENCH得意之作】四旋翼电源设计 [复制链接]

1. 设计目标

         在四旋翼中，使用的是11.1V的航模电池供电，但单片机系统、一些调理电路需要3.3V、5V电压供电。本设计就是在此种需求中提出的，利用航模电池11.1V左右的输入，经过电平转换得到5V和3.3V电压，如图1所示。

图1 设计目标

2. 设计分析

         输入电压11.1V同输出电压5V、3.3V的压差较大，如果使用线性电源，效率很低，所以需要使用开关电源来提高效率。

         但3.3V电平用于MCU供电，该电源最好稳定、干扰小、噪声小，所以LDO比开关电源更好。但为了提高效率，最好是从5V得到3.3V。

图2 设计分析

3. 设计参数

         航模电池额定电压为11.1V，但因为电池参数、充放电波动，为了保障电源的宽范围稳定工作，在设计中将输入电压设定在8V~15V。

         考虑到调理电路功耗以及3.3V电源的电流，设定5V电源的输出电流为1.5A。

         设定3.3V电源电流为0.5A。

即：

项目	电压（V）	电流（A）
输入	8——15	1
输出1	5V	1.5
输出2	3.3	0.5

4. 利用WEBENCH实现设计

1）开始WEBENCH设计

         登陆TI官网（www.ti.com.cn），在主页的右手边，可以看到WEBENCH设计的快速入口，因为本设置是多负载，所以点击多负载电源架构（Power Architect）按钮，如图3所示。

图3 开始WEBENCH设计

2）设计参数设置

         在打开的WEBENCH设计窗口中，设置输入电源和输出参数。如图4所示，设置输入最低电压为8V，设置输入电压最大值为15V，点击添加负载，可以再增加一路负载。

         设置第一路输出电压为3.3V，输出电流为0.5A，因为选择LDO结构，所以需要勾选“LDOSupply”。

         设置第二路输出电压为5V，输出电流为1.5V，可以根据对电压的要求，设置电压纹波。

         设置好参数后，点击右侧的“提交项目要求”，即可生成项目方案。

图4 设置电源参数

3）项目方案选择

         WEBENCH会根据设定的参数和要求，进行方案的生成。如图5所示，虽然本设计只有一个推荐方案，但是仍然可以看出WEBENCH对该方案的描述和介绍。

         在界面左上角，可以通过对方案成本、效率、面积来进行方案的筛选，左侧是选择的方案的效率—面积图。在右侧显示了方案的结构，由图可见，该方案与设计所需要的结构一致。

图5 系统生成方案

图6 方案结构

         选择好合适的方案后，点击界面右上角的“检视项目细节”按钮，可以进入该方案的具体内容查看。

4）方案具体分析

         方案具体细节查看界面如图7所示。在左侧显示着方案使用的芯片，右侧显示选中芯片的电路设计、方案各个模块的功耗、成本、面积。

图7 方案具体细节

    方案的两个部分（5V部分和3.3V部分）的功耗、成本、面积对比如图8所示。

图8 方案各个模块的成本、面积、功耗

5）方案分析与调整

5V产生部分，使用的是TPS563200,这是一款4.5V至16V输入3A输出的同步降压稳压器，其内部结构如图9所示。在该电源芯片内部有两个MOSFET，其中一个替代了BUCK电路的续流二极管，从而达到了提高效率的作用。

图9 TPS563200结构图

    因为手里并没有LP38691，只有LMS1587。前者是500mA的LDO，后者是3A的LDO。虽然将其用在这里有点浪费，但并不想再重新购买芯片。所以考虑将LP38691更换成LMS1587，如图10所示。

图10 更换电源芯片

         但因为LMS1587是较大电流的，所以其成本、面积较大，如图11所示。对比图8和图11可以看出，更换电源芯片后，损耗、成本和面积均有所上升。

图11 新芯片功耗、面积、成本

         如果方案的各项指标都满足要求，可以点击界面右上角的“Create Project”可以生成项目（各种项目文件）。

6）项目分析

         如图12所示，在该界面中，可以对BOOM图表、原理图、仿真、文件等进行查看。

图12 项目操作

          5V电源使用的是4.5V至16V输入3A输出的同步降压稳压器，同步降压结构可以进一步提高转换效率。该部分的原理图如图13所示，可见外围电路简单，设计快捷方便。

图13 原理图

          5V电源的效率-负载曲线如图14所示，可见，输入电压越低，则输入输出压差越小，电源效率越高。当输出电流在0.2A以上，则效率可以达到92.5%以上。

图14 5V电源效率

   5V电源输出电压纹波如图15所示。当负载越大，纹波越小，并且纹波处于15mV以下，可见输出电压质量很高。

图15 5V电源纹波

          3.3V电压输出电路选用的是LDO LMS1587，该电源模块具有3A输出能力，其电路原理图如图16所示，可见外围电路也是很简洁。

图16 3.3V电源原理图

    LDO的电源效率和输入输出电压直接相关，约为输出电压除以输入电压，效率曲线如图17所示。但一方面因为压差低，效率还一般；另一方面因为需要噪声小、稳定性高的电源给MCU芯片供电，所以只能牺牲一部分效率来获得可靠性。

图17 3.3V电源效率

    3.3V电源输出电压纹波如图18所示，对比5V电源的电压纹波可见，3.3V LDO的输出电压纹波并不会随输出电流的大小而改变，一直稳定在12.7mV.这也是LDO的特点之一。

图18 3.3V电源输出电压纹波

7）文件下载

         在界面的右下角，可以下载该项目的各种文件（设计报告、PCB、原理图等），如图19所示。

图19 项目文件下载。

5 电路原理图和PCB
    1）原理图
          图20为利用WEBENCH下载的5V电源原理图。原理图很清晰，但布局有点散，不紧凑，不利于阅读和观赏。

图20 WEBENCH下载的5V电源电路原理图

          参考WEBENCH的电路原理图，自己封装相关元件，重新绘制原理图，并且根据实际需要增加端子、测试点等，如图21所示。

图21 修改后的原理图

      2）PCB布局

         WEBENCH自动生成的PCB如图22所示。该PCB布局较大，由图中测量可知，仅这个5V电源的设计就有近5cm*6cm。很大一部分面积是没有多大作用的。输入输出端子距离为3.81mm(51mil)，如果以为是2.54就糟了。

        但从该布局中可以看出，高频开关环路面积很小，即输入-MOSFET-电感-输出-MOSFET环路面积很小，这可以减小EMC。

图22 WEBENCH下载的5V电源PCB

         结合WEBENCH的PCB布局特点，经过调整，并将3.3V电源也增加在板子上，画出的PCB如图23所示。面积相对于WEBENCH导出的5V电源PCB板略小。该设计板可以选择由单输入得到5V和3.3V，也可以选择由一路输入得到5V，另一路输入得到3.3V，为后面的拓展使用提供便利。

图23 调整后的PCB布局

6. 实物
       做出的PCB板子正面如图24所示，反面如图25所示。

图24 作品正面

图25 作品反面

         焊接出来用于调试的成品如图26所示。

图26 作品焊接成品

7. 存在的错误

       在调试过程中，发现3.3V这一路输出一直不对，更换反馈电阻也输出不对。最后分析datasheet，发现是在做元件封装时，将引脚顺序搞错了。因为自己的粗心大意使得板子布局错误。如图27所示。

       LMS1587的1脚为ADJ，2脚为输出，3脚为输入，我却在自己做封装时将1脚做成输入，2脚做成ADJ，3脚输出。

图27 PCB布局错误的地方

        发现问题后，自己又重新绘制了PCB，如图28所示。

图28 错误修改后的PCB

8.调试数据

          使用测试板进行上电调试，记录数据如图29中表格所示。

          3.3V电源测试时使用的是板上的5V电源供电，即：11V—>5V—>3.3V.

          由此可知，5V电源效率最高可达93.27%，与WEBENCH设计中最高效率95%还是有一点差距，分析原因：一方面是自己做工、PCB布局等不理想；另一方面也可能测试环境不够科学。

图29 测试数据记录表（可观看视频）

         5V电源的输出电流——输出电压曲线如图30所示，可以看出电源的负载调整率很好，输出电压并没有因为负载产生大的波动。

图30 （5V电源）输出电流—输出电压曲线

         

         5V电源的负载电流—效率曲线如图31所示，可以看出，电流较大时效率较高，电流较小时效率略低。

图31 （5V电源）负载电流—效率曲线

         

5V电源的输入电压—效率曲线如图32所示，可见输入电压较低时，输入输出压差小，效率高点；输入电压较高时，输入输出压差低，效率有所下降。

图32 （5V电源）输入电压—效率曲线

         

3.3V电源的输出电流—输出电压曲线如图33所示，可以看到该电源的负载调整率同样很好。输出电压并没有因为负载的变化而产生大的变化。

图33 （3.3V电源）输出电流—输出电压曲线

           

     3.3V电源的输出电流—效率曲线如图34所示。可见，输出电流越大，效率越高。但因为5V转3.3V部分是LDO，效率不高。所以最高效率只达61.18%。

图34（3.3V电源）输出电流—效率曲线

9 测试视频链接：


            


           如果打不开，可以进入链接：http://v.youku.com/v_show/id_XMTI3MzYwODQ1Mg==.html
           


10.作品总结

        1）电源输入电压范围宽，测试了8V~15V输入均能正常工作；

        2）5V电压输出稳定，无论是调节输入电压还是调节负载，5V输出都保持稳定；

        3）设计中，5V电源额定输出电流为1.2A，实际测试时，输出电流达到1.96A，电源仍然保持正常、稳定工作。

        4）3.3V电源由11V—>5V—>3.3V得到，不同负载下输出稳定；

        5）设计中，3.3V电源额定输出电流设定在0.5A，但实际测试中，输出电流达到0.7A仍然保持稳定输出。

        6）虽然压差很大（11.1V输入，5V输出），但5V电源效率最高仍可达93.27%，与WEBENCH设计中计算的95%有差距，电源还可以进一步优化。

        7）3.3V电源为LDO，效率不高，最高只有61.18%。但牺牲效率得到稳定、快速性好、噪声小的电源用于MCU供电也是值得的。



       总的说来，本次设计是一次对WEBENCH的进一步熟悉和使用，增加了对WEBENCH掌握。但粗心大意将3.3V电源的PCB封装弄错了，为设计增加了一个污点。但这却让我知道了自己的不足，为今后更细心、更好的设计打下基础。



11.使用WEBENCH的感受
        1）设计电源、滤波器、放大电路、LED驱动等都很方便快捷。

        2）不需要自己去查找元件，可以根据推荐使用元器件，并且可以生成BOOM列表。如果自己对某个元件不满意还可以进行自主更换，使得设计非常自由。

        3）WEBENCH可以进行电路仿真、热仿真，对电路方案的成本、损耗、大小也有计算，方便项目设计开发。

        4）资料很丰富，设计项目完成后可以生成设计报告、原理图、PCB、仿真文件等，极大地方便了设计工作的开展。

        总的说来，WEBENCH将会是工程师们的好助手，好工具。它加快了工程师的设计节奏，减少了一些设计阶段的额外花费、时间、精力。除了强大的电源设计，滤波器设计、时钟设计也是对工程师们的一个巨大诱惑。使用WEBENCH可以大大节省设计时间、减少设计出错率、节省设计费用......

        可能现在使用WEBENCH的人还并不是特别多，但好用的东西肯定会被越来越多的人接受，我也会向身边的人推荐WEBENCH。


12. 对WEBENCH的建议

         1）元件封装导出不方便，不能直接得到Altium Designer原理图和PCB封装。虽然可以在TI公司下载封装文件，但只能下载.bxl文件，还需要使用Ultra Librarian 读取器软件进行转换，比较麻烦。另一方面，转换得到的原理图模块都做得很大，影响原理图布局美观性。所以一直以来都是自己手动封装。我认为使用AD进行PCB制作的人很多，为什么不在网上直接提供PCB元器件库文件下载呢？或者在WEBENCH的设计中，提供该设计包含的元器件的PCB元器件库下载，一步到位，不需要再次转换的。

   2）对于传感器的设计、时钟设计等好像还没有像电源设计这么完善，设计的可以产生的下载资料很少。

   3）界面有时候比较慢，可能是计算量很大，但还是有点影响使用感受。

michael_llh

很棒！

liufengjing9

很棒！

lxj981221

谢谢楼主分享

耘灬耔

厉害 厉害学习了 Ti这个工具还是蛮好用的

包弟

该点赞时就点赞！学习

alan000345

经典分享。