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优秀设计奖 | 基于 LTC3388 和 LT8643 的 2.5V 2A 双模电源

▲ 点击上方 21Dianyuan 关注我们 本文是 21Dianyuan 社区「2019 ADI & 世健 • 电源智造设计赛」优秀设计奖 获奖作品,作者樊来泰 (社区ID :CliftHeart),感谢作者的辛苦付出。 2019 ADI & 世健 • 电源智造设计赛圆满落幕,获奖名单已揭晓,小编再次祝贺 “C


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本文是21Dianyuan社区「2019 ADI AMPL 世健 • 电源智造设计赛」优秀设计获奖作品,作者樊来泰 (社区ID :CliftHeart),感谢作者的辛苦付出。

2019 ADI AMPL 世健•电源智造设计赛圆满落幕,获奖名单已揭晓,小编再次祝贺 “CliftHeart” 获得本次大赛的优秀设计奖。希望作者不骄不躁,再创佳绩!


获奖人照片

接下来小编给大家一起分享下 “LT8643 2.5V 2A 双模电源” 的设计过程吧!

先回顾下本次大赛内容:

参赛要求

1. Vin=12V, Vout=2.5V,lout=2A;整版使用电容合计容量,不得大于 60uF;

2. PCB 设计仅限于2-4层 (不接受6层及以上 PCB 设计);

3. 测试中,不允许切换工作模式。

评选规则

优秀设计奖 | 基于 LTC3388 和 LT8643 的 2.5V 2A 双模电源

* 点击看大图

作品设计过程


1

方案介绍

确定题目概况需要选择符合赛题的芯片和板子,并辅以相应的自动控制逻辑。

实现宽电流域的交错电源,需要低功耗的电源工作状态监测电路。碍于 60UF 的总电容限制,无法简单的进行多个电路的监测和切换工作,因为低负荷效率、低纹波、快输出响应及环路稳定性都严重依赖输出电容的容量,只得将多路电源输出电感直接相接,共用输出电容

直接全范围监测输出电流就成为我能想到的唯一出路,ADI 的超低功耗斩波运放 LTC2066 可以利用 PCB 输出铜迹的方阻实现 mA 级的电流监测,并可通过低电压、低静态电流和无采样电阻的特性实现全工作电流段的相对低功耗。

本方案的主体为 ADI 的 LT8643s 和 LTC3388-1。

其中 LT8643s 集成 MOS 开关可以在高频下达到较高效率,支持轻载的高效率的 Burst 模式、高速响应的 CCM 模式,这款芯片还难能可贵的支持可加速的外部补偿。

LT8643S 在超低负载下的表现不太好,需要 LTC3388-1 实现低负载高效率;LT3388-1 属于临界电流工作模式,不支持倒灌的特性有利于实现交错并联,原理框图如下图1.2。

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图1.2 原理框图

这两款芯片作为功率处理单元工作在3个模式,状态如下:

1

只有 LTC3388-1 从无负载工作到 40mA 负载,LT8643 休眠。

在遭遇大的突变负载时,考虑到 LTC3388 的驱动能力实在太弱,而控制逻辑带宽不够,造成输出逻辑还没有使能 LT8643 就被掉电,电路陷入彻底的掉电中和输出短路。

需要从 LTC3388 的短路中提取出一个启动信号供给 LT8643 的启动逻辑序列。

2

LT8643S 启动工作在 CCM 模式,输出电压比 LTC3388-1 高出 30mV,使其进入休眠状态。

此模式工作到 1.5A 左右的负载,以实现快速响应和低纹波。

3

LT8643S 继续 CCM 模式并启动降频,工作在大于 1.5A 的条件下,实现 2A 下的较高效率。

降频后大概率会出现不稳定,为摆脱最低频率的桎梏,在启动降频的同时产生一路反向信号驱动连接低阶补偿回路,单独对低频进行补偿。

2

测试与调试方案

本人是学生,手头所有的设备只有一台电源、一个示波器、两个中等精度万用表。可观测性是认识事物的重要属性,有限的装备显然无法完成测试,只得自制测试环境。

自制的模组包括三部分:mini 电子负载、动态负载、电流检测。测试电路原理图如下图2.1。

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图2.1 电子负载电路图

图2.1中的左上方为输入电流采样,使用 OPA2333 零漂移运放作为采样主体,具有极高的灵敏度,具有 1ua 和 1ma 的精度,可以实现对输入电流的精确测量,一次校准足矣。

右上方是一个基于 MOS 的电子负载,可以通过电位器或外部输入电压对流入的电路进行精确控制,便于调试与电流相关的控制逻辑,不过使用时发现采样电阻温漂是个大问题。右下方为一个脉冲负载,这个负载和电子负载并联,以产生符合测试要求的混合电流波形,脉冲负载具有一个使能端。

测试负载实物图如下图2.2,图中脉冲负载外接一个2.5欧负载产生 1A 的电流阶跃,波形测试图如下图2.3,可见电流上升沿接近 1us,动态幅度刚好 1A 叠加在 120mA 电子负载的电流上,基本测试要求。下降沿的速度比上升沿略快,测试电流和电压增益比为 0.1V/A。

另外一项需要做的是一个纹波放大器,用 OPA2690 作为放大核心做出一个带宽 20MHZ 且放大倍数在30倍左右的纹波放大器和带宽 0.1MHZ 且具有100倍放大倍数的低频噪声放大器。其结构主要包括高精度放大器 OPA2228、高速放大器 OPA2690、隔离电源、偏移控制电路,结构图如图2.3

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图2.2 实物图

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图2.3 绿的是电流波动,黄的是输出电压波动

在设计电路之前必须想清楚已知目标对象如何调试,轻载和空载需要一个唤醒电路,承接休眠和正常工作之间的空白,经过试验和仿真确定这种电路结构确实存在。

无论是 LTC3388 的固定导通电流工作模式,还是 LT86** 的 Brust 模式,本质上都是一样的,都是控制器输出一个电流脉冲,然后陷入休眠,直到下一次输出电压低于门限。

换个角度理解,输出电流就是由这些脉冲电流积分构成,如果有一个电路可以帮我们数脉冲个数,通过脉冲的密度决定要不要唤醒电路中沉睡的控制回路。结构图可看图2.4。

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图2.4 纹波放大器

这个控制电流可以简单地通过一个线圈耦合到目标电感上,然后对其进行整流得到一个控制电压,这个电压就是控制部分的唤醒信号。

对于 LTC3388 的应用来说,这个信号可以通过控制参数实现 PG 脚的功能,用于直接唤醒因输出负载过大控制逻辑掉电不能启动的主功率回路,并提供一个扳机一样的触发信号,在主功率回路将输出电压拉回正常值时,接替为正常工作的逻辑进程

结构图如图2.5,通过修改线圈匝数和阻容的值可以获得合适的唤醒信号。

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图2.5 唤醒电路

解决轻载问题后,另外一大难题就是效率的优化,轻载和重载效率通过耦合 BAIS 电源可以获得部分。

轻载效率完全取决于芯片结构,没啥发挥的余地,但是重载效率可以发挥的地方就多多了,重载效率与电感内阻、磁芯材质、开关频率等都有密切的关联性。

功率电感最后选用铁硅铝磁芯加双组份多芯线绕制到合适的电感量,剩下最关键的就是重载开关频率的选择。

首先考虑一下输出损耗的构成,阻性和磁性损耗的变化量和 f 的平方成反比,开关损耗和频率f成正比,总的损耗是一个增函数和减函数的和,还且是下凹的结构,所以电路器件值固定后必然有一个与频率相关的效率最优解。

3

原理图设计

原理图如下:

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图3.1

左上为功率级 LT8643 的控制外设,左下是 LTC3388 和辅助的唤醒结构,剩下的电路包括一个铜迹电流采样电路和两个和上文描述一致的控制逻辑。

4

PCB设计

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图4.1

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图4.2

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图4.3 实物图

由于 LTC3388-1 缺货,只能接受用 LTC3588 替代 LTC3388,所以需要挖板跳线,维持其正常工作。

图中的滑稽头下面有一个转态指示灯,在第二种模式下这个滑稽头会亮起来,第三模式这个滑稽头会熄灭以提升一点重载效率,这个设计将提醒我们电路工作在哪个模式。

5

测试结果汇总

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图5.1 实物测试图

A 空载电流

空载电流使用 ua 档测出来只有2.13ua;

B 轻载效率

输入电压、电流为:11.87/32.5ua;

输出电压、电流:2.523 (20k);

计算出效率82.6%;

C 纹波

纹波测试在 1.2A 附近,工作在 CCM 模式,开关频率为 2.6MHZ,纹波基本不变,幅度约为 2m,有一点低频扰动,如下图5.2。

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图5.2 纹波

D 动态响应

动态响应开启脉冲负载,测试结果为,上冲为 19m,下冲为 14m,测试图如下图5.3

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图5.3 动态测试

E 2A 效率测试

经过对比各种不同的低频频率,发现效率比较高的值在 460khz 的开关频率附近,测得效率值93.3%。

低频下的开关波形和纹波非常稳定,如下图5.4、5.5。

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图5.4

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图5.5

设计总结


本方案使用小电流高效芯片 LTC3388 (LTC3588) 实现了优良的空载和轻载效率;之后切换成 LT8643,并且启用了切补偿回路和开关频率等操作,将这两个芯片的优点结合起来;在高速和高效率上也获得较好的性能。碍于篇幅问题,调试细节大多被省略掉了,主要是叙述思路。

作者访谈


优秀设计奖 | 基于 LTC3388 和 LT8643 的 2.5V 2A 双模电源

小 编

优秀设计奖 | 基于 LTC3388 和 LT8643 的 2.5V 2A 双模电源

您好,首先恭喜您获得优秀设计奖。能否和大家分享一下,您的参赛感悟?

首先,感谢主办方 ADI 公司和世健公司赞助支持的电源智造设计赛给我一个实践,并展示自我的舞台。

本案选用 ADI 的 Silent Switcher 降压芯片 LT8643 工作在 BRUST 和 CCM 来实现高动态和低纹波,通过 2.6MHZ 的开关频率和外部补偿,获得接近 2mV 的纹波和 20mV 左右的动态响应。

鉴于 LT8643 静态性能没有达到我的需求,我给它装上了一个名为 LTC3588 的脚,这是个能量收集器芯片,轻载性能完美,但输出最大只有 50mA。加入这个芯片成功解决了轻载问题和空载问题,却引入个尴尬的新问题

具体表现如下,当输出突然加重载时,芯片的 50mA 输出能力使输出端来不及唤醒 LT8643,便被拉到极低电压,导致输出瘫痪。

最终加了一堆辅助结构才勉强解决这个问题,事实证明画蛇添足确实不是完美解决办法。

通过设计的整个过程,让我对 ADI 的产品有了更好的认识,设计过程中也请教过世健公司的技术支持,非常感谢。

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樊来泰

最后感谢世纪电源网及所有工作人员的辛苦付出,不仅仅为工程师提供一个专业性较强的交流平台,并经常举办一些动手实践的设计大赛,为大家提供一个与原厂技术直接学习沟通的机会。

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樊来泰

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好的,感谢您的回答,也期待您以后给大家带来更好的作品!

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小 编

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对本次大赛感兴趣的小伙伴们,可以扫描下方二维码查看全部获奖作品及官方各项参数评测数据。

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