接下來小編給大家一起分享下這款“多模式交錯(cuò)電源”的設(shè)計(jì)過程吧！

先回顧下本次大賽內(nèi)容：

參賽要求

1. Vin=12V， Vout=2.5V，lout=2A；整版使用電容合計(jì)容量，不得大于 60uF；

2. PCB 設(shè)計(jì)僅限于2-4層 (不接受6層及以上 PCB 設(shè)計(jì))；

3. 測試中，不允許切換工作模式。

評(píng)選規(guī)則

作品實(shí)物圖

專家點(diǎn)評(píng)

設(shè)計(jì)思路清晰，滿載效率高。

作品設(shè)計(jì)過程

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方案介紹

設(shè)計(jì)一款較好符合比賽要求的電源，需對(duì)電源的各方參數(shù)做出整合和推敲。 低紋波、小負(fù)載波動(dòng)、高效率、低靜態(tài)功耗均可用 ADI 芯片實(shí)現(xiàn)，但無法用同一個(gè)芯片達(dá)到所有指標(biāo)的極致。其中最難的是效率的提升，這個(gè)局限于芯片和物理法則，不作為首要考慮的重點(diǎn)。 其次是動(dòng)態(tài)響應(yīng)，這要求電路快速動(dòng)作，這顯然與輕載和空載性能要求相反，具體可參考 LT8643 和 LT8645 的區(qū)別。將他們?nèi)诤显谝黄鹬\求兩個(gè)芯片性能的疊加，成為一個(gè)不錯(cuò)的選擇。 解決方案為雙路交替工作，功率級(jí)分別是 LT8643S 和 LT8645S，其中集成 MOS 開關(guān)的 LT8643S 可以在高頻下實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)的 CCM 模式，這款芯片還支持可配置的外部補(bǔ)償，而LT8645S 可實(shí)現(xiàn)低空載電流和滿載的高效率，運(yùn)行在較低的開關(guān)頻率。 LT8645S 工作在 Burst 模式下，實(shí)現(xiàn)空載和滿載的高效率，LT8643S 以 CCM 工作在 100mA 到 1.5A 的輸出電流段，且輸出設(shè)定電壓比 LT8645S 高一點(diǎn)，當(dāng) LT8643S 開啟時(shí)，LT8645S 自動(dòng)處于休眠狀態(tài)。 以上功能的實(shí)現(xiàn)需要低功耗輸出電流采樣電路，ADI 具有使能端 LTC2067 可以完美的用亞毫歐電阻對(duì) 0.1A 到 2A 的輸出電流進(jìn)行采樣。 為了提高靜態(tài)和輕載性能，讀取 LT8645S 的狀態(tài)信息作為電流測量控制邏輯電路的啟動(dòng)信號(hào)，這可以利用 LTC2067 的使能端和電感副繞組實(shí)現(xiàn)。控制框圖如下圖1.1.

圖1.1 控制框圖

本方案看似有3個(gè)狀態(tài)，實(shí)際上只有兩個(gè)，主工作狀態(tài)是 LT8645，它的工作空白區(qū)間是 0.1-1.5A，在空白區(qū)間內(nèi)是 LT8643 以超高的開關(guān)頻率和超快的環(huán)路，抑制紋波，壓低動(dòng)態(tài)，而這整個(gè)模式切換只需要一個(gè)電流采樣和窗口比較器控制 LT8643 的使能就可以實(shí)現(xiàn)。 這是我思前想后最簡單的控制邏輯了，這個(gè)方案還有個(gè)優(yōu)點(diǎn)，負(fù)責(zé)效率的電感和開關(guān)頻率是獨(dú)立與高速部分，便于優(yōu)化最終的效率，負(fù)責(zé)高速的部分可以選取更合適的電感，以謀求最好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

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原理圖設(shè)計(jì)

圖2.1 原理圖

（原帖可下載源文件）

左上角部分為工具模塊 LT8643，除了基本配置，外加一個(gè)控制使能的窗口電路，模式腳可以浮空，接上只是為了了解這個(gè)芯片的更多細(xì)節(jié)。 左下方為這個(gè)電路的基本結(jié)構(gòu)，這個(gè)模塊除了 LT8645 的基本配置和喚醒部分，最重要的就是那個(gè)阻容分壓結(jié)構(gòu)。這個(gè)區(qū)域放大圖如下圖2.2所示。

圖2.2 阻容反饋及喚醒基準(zhǔn)

為了高的效率，LT8645 需要工作在大電感和低開關(guān)頻率條件下，在之前的實(shí)驗(yàn)板上 LT8645 出現(xiàn)了運(yùn)行不穩(wěn)定的現(xiàn)象，可這個(gè)芯片沒有外部補(bǔ)償，只能通過其它方式使環(huán)路穩(wěn)定，阻容分壓結(jié)構(gòu)就不錯(cuò)，可以在高低頻之間產(chǎn)生一個(gè)零極點(diǎn)對(duì)，降低高頻段的反饋系數(shù)和環(huán)路增益達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?，下圖2.3是在 4.5uh-370khz 小的 1A-2A 動(dòng)態(tài)響應(yīng)?？梢姯h(huán)路的穩(wěn)定性還是很不錯(cuò)的。

圖2.3動(dòng)態(tài)響應(yīng)

左下方為銅箔電流采樣技術(shù)，電流檢測芯片為 LTC2067，失調(diào)電壓在 1uv 左右，銅箔采樣電阻為 0.7 歐左右，采樣電流的精度校準(zhǔn)使用下部電流源的負(fù)載電阻。這個(gè)模塊也是這個(gè)電路在調(diào)試時(shí)遭遇 “玄學(xué)” 最多的地方，下圖2.4是該區(qū)域的放大圖。

圖2.4 電流采樣電路與喚醒

圖2.4中左側(cè)構(gòu)成了最普通的電流檢測結(jié)構(gòu)，最初的問題是 LTC2067 的供電是以地為參考的，并且通過 rc 結(jié)構(gòu)從輸出電壓上取電，這種結(jié)構(gòu)可以保證這個(gè)芯片的使能端被外部輕載檢測觸發(fā)啟動(dòng)。

正是這個(gè)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了嚴(yán)重的問題，左側(cè)2、3號(hào)腳要承受大量高頻共模，這將導(dǎo)致兩個(gè)嚴(yán)重的問題，首先是小電流的采樣完全是錯(cuò)誤的，容易在沒有負(fù)載的情況下容易被干擾 (示波器電流探頭測量 PWM 時(shí)) 觸發(fā) LT8643 的啟動(dòng)，另外一個(gè)問題是電流檢測的非線性，這個(gè)原理不明，應(yīng)該和放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。

上述問題可以通過在這兩個(gè)引腳和采樣銅箔間插入 rc 濾波器來緩解，事實(shí)證明這種措施十分有效，電流采樣電路對(duì)動(dòng)態(tài)采樣結(jié)果如下圖2.5，實(shí)際在 10mA-2A 誤差不超過 5%。

圖2.5 電流采樣

此處二號(hào) “玄學(xué)” 是電流采樣輸出腳的迷之漏電流，經(jīng)過反復(fù)排查，確定初始漏電流由斬波放大器引腳輸入引發(fā)的電荷泵效應(yīng)將高電壓引腳的的電荷泵送到低電位的引腳。

發(fā)生這種神奇現(xiàn)象的根本原因是我用斬波運(yùn)放 OPA2333 作為比較器，因?yàn)槭诸^可以工作在低電壓的低功耗運(yùn)放或比較器不多。

這個(gè)問題通過更換普通低壓運(yùn)放后，喚醒后的漏電流問題基本解決，其實(shí)不完全解決，LT2067 也是斬波運(yùn)放，另一半也是連接電流采樣作為比較器使用，用來使能 LT8643 和自鎖使能端，可能由于引腳壓差太小或內(nèi)部特殊結(jié)構(gòu)，沒有形成可觀漏電流。

之后是漏電流二號(hào)出場，這次漏電的原因是外部運(yùn)放的強(qiáng)行使能導(dǎo)致電流流過芯片通過 ESD 結(jié)構(gòu)從運(yùn)放輸入腳漏向電流采樣端口。這個(gè)現(xiàn)象發(fā)生在實(shí)驗(yàn)板上，是外部運(yùn)放使用低側(cè) MOS 開關(guān)跟隨 LT8643 一起被喚醒，在未喚醒前運(yùn)放的地引腳浮空，被內(nèi)部漏電拉到高電平，這個(gè)地又和輸入腳有個(gè)二極管，自然就會(huì)從這個(gè)腳向外漏電流。解決方案使用一個(gè) NMOS 和一個(gè) PMOS 同步驅(qū)動(dòng)，將芯片和地同時(shí)斷開。

上面的操作引出了漏電流三號(hào)，漏電流三號(hào)表現(xiàn)非常詭異，在示波器可以看到控制邏輯回路在穩(wěn)定震蕩。

在沒有任何輸出電流的情況下，電流采樣輸出出現(xiàn)間距極大的小尖峰，這個(gè)小尖峰啟動(dòng)自鎖結(jié)構(gòu)，所有芯片正常供電，電流恢復(fù)到正常狀態(tài)，因?yàn)闆]有電流輸出，自鎖信號(hào)被電流測量信號(hào)復(fù)位。然后外部運(yùn)放切離電源，戲劇性的一幕出現(xiàn)了，外部運(yùn)放下 MOS 比上 MOS 斷開速度更快，差了一個(gè)低速反相器時(shí)間，這個(gè)瞬態(tài)和上一種漏電流現(xiàn)象一樣，漏出一個(gè)電流尖峰 (極窄，不用單次觸發(fā)觀察不到) 到電流采樣輸出，喚醒自鎖，就這樣往復(fù)循環(huán)。

上述電流采樣和控制邏輯出問題的根本原因是我對(duì)斬波運(yùn)放認(rèn)識(shí)不夠深刻，還試圖強(qiáng)行給芯片加使能。

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PCB設(shè)計(jì)

PCB 為雙層，正反面如下圖3.1、3.2，實(shí)物圖，如圖3.3。

圖3.1 PCB正面

圖3.2 PCB反面

圖3.3 實(shí)物圖

實(shí)物測試

圖4.1 測試電路

5項(xiàng)指標(biāo)測試： ?靜態(tài)電流空載電流為2.3ua左右 ?輕載輸入電壓和電流為11.870v、33.7ua，輸出電壓2.503v，負(fù)載為20k，效率計(jì)算為78.4%。 ?紋波紋波出現(xiàn)時(shí)，電路切換到 LT8643 的 CCM 模式，開關(guān)頻率2.6MHZ，紋波基本不可觀測，接近低頻噪聲的幅度，總的幅度不超過3mv。 ?動(dòng)態(tài)測試這塊板子的動(dòng)態(tài)性能十分優(yōu)秀，最大峰值 10mv 左右，上下峰峰值加起來也只有 15mv 左右，如下圖4.2、4.3、4.4。

圖4.2 動(dòng)態(tài)響應(yīng)，綠線電流波形

圖4.3 動(dòng)態(tài)響應(yīng)上沖

圖4.4 動(dòng)態(tài)下沖

?2A效率為了優(yōu)化 LT8645 的效率，選取了6個(gè)不同的頻率點(diǎn)測量效率取其最優(yōu)解。 分別取 374KHZ、388KHZ、405KHZ、418KHZ、442KHZ、483KHZ，其中在 405KHZ 處達(dá)到最高效率94.6%。其它各點(diǎn)效率如下：94%、94.4%、94.4%、93.9%、93.7%。