【WEBENCH DIY】晒：基于WEBENCH的11V-18V转5V/2A的降压稳压电路设计

sunduoze

【WEBENCH DIY】晒：基于WEBENCH的11V-18V转5V/2A的降压稳压电路设计 [复制链接]

基于WEBENCH的11V-18V转5V/2A的降压稳压电路设计

设计目标：设计并制作一个11-18V转5V/2A的BUCK电路

设计工具：TI公司的WEBENCH(完成电路的在线设计和仿真)

芯片选用：1. TPS5430DDA 2. LM2596DDPAK(-ADJ)

使用WEBENCH设计流程

1.进入TI官网主页

2. 找到WEBENCH® Designer

右边的 MyDesigns 即可打开自己WEBENCH历史设计
我进行的设计是电源，故选择“电源”，其他方向的设计类似，单击相应图标即可。

在电源选项中，根据您的需求对供电方式、输入电压、输出电压、输出功率及环境温度等进行配置

在此，根据设计要求，选择 “单电源”下的“开始设计”来进入设计界面。

3. 进入芯片集成度的方案选择界面

您可以选择的芯片集成度方案分别为：

①模块化电源 （设计极为简单）

②集成电源器件（通常称之为XX稳压器，设计起来比较简单）

③分立元器件（通常称之为XX控制器，设计起来相对复杂，灵活性高）

选择“Integrated”（“集成电源器件”）

4. 进入芯片的方案选择界面

该界面大概分为三个区域

①WEBENCH优化工具（调节效率、显示成本和BOM面积）、更改输入（调整输入输出及温度等参数）及高级滤波（更改BOM成本、效率以及的特殊功能，例如：输出使能功能、欠压保护功能、软启动等等）

②高阶图表（通过更改X、Y轴及圆点大小分别代表的参数，较为直观看到满足您基本要求的前提下参数的对比）

单击某个“圆点”，就可以切换您选择的对象（激活对象的颜色为绿色，其余为灰色）

极大地方便了您要求下的芯片特性的对比。

③您可选的芯片或模块解决方案（其中包含了器件按名称搜索、列表导出到Excel、对象特征排序等功能）

您可以按照图中的说明，使用部分常用的功能

选择TPS5430和LM2596-ADJ两个器件

5. 进入TPS5430芯片的设计仿真界面

①效率优化调整

②图表（显示了不同的输入电压下，输出电流与效率曲线）

③原理图（该器件的设计原理图，该界面下，用户可自行编辑修改元器件参数等）

④热仿真及PCB布局显示

⑤操作值（不同节点的相关数据信息）

⑥材料清单（显示元器件相关参数信息及手册的链接）

⑦电流设计以及本设计的设计笔记等

6. 原理图WEBENCH原理图功能中包含了①器件选型②原理图编辑③原理图导出 功能
极大的方便用户的芯片选型工作，节省了大量的时间。

6. 热仿真
热分析及热设计严重的影响印制板热的可靠性，对于开关电源
这一部分更是不可或缺的。WEBENCH的热仿真简化了这个过程，
通过这部分仿真，设计者可以很好的了解有关器件的电气特性，
整体PCB的稳定性。
以TPS5430为例，图中可以看出发热相对较大的是主芯片和续流二极管
所以PCB Layout时要着重考虑。
热仿真中，可以调节温度与颜色条的关系
板子与铜厚关系等7. 仿真

①波特图（反映系统的频率特性）

②电源启动仿真（阶跃响应）

③稳定性仿真（负载情况下电源系统稳定性分析）

④输入暂态分析（）

⑤负载暂态分析

lidonglei1

干嘛还整个背景？

sunduoze

不好意思，只能三楼了！前边只发了一半
7. 导出原理图及PCB

①支持多种电路图绘制工具文件导出，例如Cadence、AltiumDesigner、Pads等

②支持导出库文件（元件引脚封装库）

根据ReadMe完成原理图等的导入。

WEBENCH导出的原理图与仿真界面的图纸参数相同，
实际设计中可根据该原理图进行参考设计，大大的节省
了参数计算时间。

WEBENCH生成的TPS5430 PCB与官方DS中推荐的Layout基本相同
实际中，我亦是采用类似的布线完成设计。


LM2596的设计也是如此，WEBENCH生成的PCB Layout也符合最佳
布线。
8. 生成报告文档及分析（原理图设计文档及BOM表、仿真文档等）
该项功能很好的将您的设计生成报告文档，方便阅读，同时可以将
您的设计便捷的分享给他人。

sunduoze

LM2596

本人绘制的原理图及PCB 文件（包含SCH、PCB、LM2596_DS LM2596_DesignReport）LM2596 LM2596.rar (10.99 MB, 下载次数: 33)

2016-5-30 03:24 上传

点击文件名下载附件
阅读权限: 5

部分测试图片

测试结果：
LM2596
输入：18.0V/0.73A
输出：5.08V/2A  
最大压差满载效率：77.3% （包含测试导线线损）
纹波：<35 mV（输入18V输出5V/3.6A）
电压调整率与负载调整率：均优于±1%
效率分析：实际测试中发现，效率损耗主要集中在了LM2596热阻、
导线线损（测试导线过细）、实际选用的电感ESR高（在100Khz开关频率下Q值很低，高频特性差）
二极管损耗：二极管采用国产1N5822肖特基二极管（管压降过大，如果做效率优化，可以换压降更低的肖特基）

sunduoze

TPS5430

参考WEBENCH绘制的原理图及PCB 文件（包含SCH、PCB、TPS5430_DS TPS5430_DesignReport）
TPS5430.rar (8.04 MB, 下载次数: 100)

2016-5-31 10:15 上传

点击文件名下载附件
阅读权限: 5

测试结果：
TPS5430
输入：18.0V/1.01A
输出：4.89V/3.09A  
最大压差满载效率：83.6% （包含测试导线线损）
纹波：<80 mV（输入18V 输出4.9V/3A）
（出于体积的考虑，输出滤波未使用低ESR的电容，钽电容此处滤波效果一般）
电压调整率与负载调整率：均优于±0.8%
效率分析：实际测试中发现，效率损耗主要集中在了TPS5430热阻、
导线线损（测试导线过细）、
二极管损耗：二极管采用国产1N5822（SS34）肖特基二极管
（管压降过大，如果做效率优化，可以换压降更低的肖特基）

sunduoze

最后再看一下两个板子的对比


可见TPS5430的面积远远小于LM2596（方案自身的原因、输出滤波电容及板子的布线共同影响的）纹波测试中需要注意很多问题，示波器探头的使用不当会导致测量的纹波与实际差异很大
笔者使用的示波器中 交流耦合的方式，以20ms扫描周期对纹波进行测量，示波器探头中地线和探头
围绕的空间尽可能的小，由此来减少环境噪声等因素对纹波测试的影响。
LM2596的PCB由于疏忽，没有镜像转印，导致出来的板子是镜像过的，所以看起来文字和主器件都是反着的


WEBENCH设计分享链接
TPS5430
LM2596
元器件清单见 附件LM2596.rar和TPS5430.rar中的设计报告文档，实际制作中亦根据WEBENCH的设计
参数进行配置即可（本次设计中，器件不是十分充足，部分原器件进行了替换）。
功能拓展
两个电源模块如需制作成输出可调电源，可以将反馈电阻中的一个更改成电位器，方便调节。
实际设计与WEBENCH对比表

测试在输入18V条件下进行

方式    项目	LM2596		TPS5430
	WEBENCH	实际制作	WEBENCH	实际制作
PCB面积	68.5*62.7(mm2)	49.96*49.81(mm2)	49.4*42.4(mm2)	25*24.98(mm2)
效率	82%(5.01V/1.8A)	77.8%(5.09V/2.0A)	89%(5V/2.5A)	83.6%(4.9V/3.1A)
成本	19.9￥	9.8￥(含覆铜板)	19.3￥	13.6￥(含覆铜板)
PCB层数（层）	2	2	2	2
纹波	<11.5mV(5.01V/2A)	<35mV(5.08V/3.5A)	<22.7mV(5V/1.8A)	<80mV(5.09V/3.6A)
输入电容	4.7uF/5.16mOhm	10uF*3	4.7uF/2mOhm	100uF/25V钽电容
输出电容	680uF/90mOhm	100uF/100Khz/    <50mOhm    //47uF*2薄膜电容	220uF /35mOhm	100uF*2钽电容    //47uF*2薄膜电容
续流二极管	B240LA-13-F	SS34	B240LA-13-F	SS34
电感	100uH/106mOhm	100uH/待测	22uH/47mOhm	47uH/待测

对比分析：
①PCB面积：实际制作中，LM2596近似参照WEBENCH设计，面积相近，TPS5430尝试在合理布局下以最小的面积完成布线，较WEBENCH设计的PCB小很多。
②效率：实际制作中物料的成本（电容、电感、和肖特基二极管及PCB）较低，同时测试的设备精度以及测试导线的线损使得两个设计均没有WEBENCH的效率高。同时测试条件较为苛刻，均在最极限的负载处进行效率测试，效率影响更大。
③成本：WEBENCH设计均按照相关标准进行设计、物料的性能远高于实际制作中的物料，故物料成本较实际制作成本高。
④PCB层数：两个方案的WEBENCH与实际PCB均采用双层PCB制作，官方的设计有很大的参考意义。

本次设计总结
1. 使用WEBENCH可以大大加快电路的设计，很好的提供了参数计算、板子的布线、仿真及热仿真等参考，
将芯片器件的选型集为一体，节约了大量的器件选型时间。WEBENCH所提供的报告文档生成功能为产品设计
公布提供了极大的方便。
2. 本次设计以电源设计为切入点，其中涉及的降压稳压器均为入门级的芯片，这些设计可为初学WEBENCH的学者提供参考，方便后续深入学习。
3. 此次设计从完整的设计到调试花去的时间并不多，在WEBENCH的帮助下可以迅速的完成整体设计，同时希望WEBENCH能在国内提供整个设计的电路板制作过程（国外可以提供该项功能，国内的这部分功能也许正在开通）
4. 由于个人的能力有限，时间等因素，本次设计存在了很多不足，给大家阅读带来的不便希望可以谅解，希望读者能将问题指出，以便大家共同提高！

sunduoze

lidonglei1 发表于 2016-5-26 08:42
干嘛还整个背景？

没找到好看的背景(＞﹏＜)，又觉得页面很单调。。。

lidonglei1

sunduoze 发表于 2016-5-31 11:08
没找到好看的背景(＞﹏＜)，又觉得页面很单调。。。

哦 ，哈哈，我就随便问问，我之前都不知道还能换背景。
文章写的不错

sunduoze

多谢夸奖，说实话自己觉得写的不是特别好，很多东西还要学习

wdl125

你好，我想请问一下，刚开始的时候是完整的菜单，进入编辑原理图了之后就变成只有几个功能了，怎么回到长菜单的那个页面（包含热仿真等等的），谢谢你！

qjp1988113

谢谢楼主分享，很有用！