基于TPS54331DR芯片的24V转3.3V/2A的智能液晶显示终端电源方案

【方案介绍】
     在一些工业应用场合，经常需要本地远程发送命令控制显示一些字符、图片和汉字等各种信息，这就需要一个智能的显示终端，可作为工业控制、智能仪表等显示终端。为了实现快速响应，智能液晶显示终端通常采用高性能的M3/M4/A8/DSP处理器来设计，并可带有触摸屏模块。本设计的智能液晶显示终端采用了STM32F103ZET6 M3控制器作为主核心，板载64M RAM ，用来提高系统运算速度，和1G容量的NAND FLASH，用来存储预设计的图片，各种图形库和汉字ASCII码库等，并根据实际需要集成了RS232/RS485/USB接口。为了方便液晶屏安装到控制柜上，采用通用的24V供电。本设计中的核心处理器和各种外设皆采用3.3V供电，消耗电流预计在500mA以上(经实际测试，进行复杂图形处理时，电流消耗可达630mA)，为了保留2倍以上的设计余量，选用了一款输出电压3.3V，输出电流最高达2A的降压稳压器芯片TPS54331。它是一款具有 Eco-mode 的3.5V至28V输入3A/570kHz降压转换器，性价比高，工作温度：-40℃~150℃，可满足工业级设备的使用要求。下面是利用ti WEBENCH平台实现的这个电源设计方案。
方案中输入电压：24V；输出电压：3.3V,输出电流：最大2A；工作温度：设置为40℃。设计方案步骤如下：
【方案设计】
（1）点击开始设计
      因为方案中，只用到一路电源，所以，只要直接点击红色字体【开始设计】就可以了。如图：

这样，会加载一个FLASH登陆界面，大约1分钟左右，会进入一个默认的设计界面：
如图：   


（2）设置输入参数，点击绿色按钮【重新计算】，如图：     


这里，选择【DC】，直流电输入，最小=最大=24V,输出电压：3.3V,输出电流：2A,不要忘记温度：40℃。这些参数都输入正确以后，点击重新计算，会生成新的设计界面。如图：



因本设计已经有实物设计，所以芯片是已经选好了的TPS54331，可这里没有，那怎么办？TI在这个设计环节中，增加了搜索功能，非常实用哦。如下图：我们在里面输入：TPS54331，系统会自动筛选出来这个芯片方案：


（3） 开启TPS54331设计方案
在上面的图中，点击绿色按钮【开启设计】后，系统会自动生成一个TPS54331芯片的电源方案，生成的方案界面如下图：  



最终的设计界面内容非常丰富，这里可以看到优化选项一直在最左边显示，这里我们没有采用，当时选择TPS54331是从价格、效率和电流参数等各方面考虑的。如果重新设计一个新的方案的花，可以在【最低BOM成本】【最高效率】【覆盖面积】等项中做选择。界面左下角，可以将生成的技术方案进行命名保存。这里，方案界面被分成了六个窗口，分别是【图表区】【原理图】【工作数值】【材料清单】【优化工具】【您的整个设计】。图表区有三个图表,如图：



分别是效率，频率响应和占空比关系图表。
     这个设计的原理图如下：
   

它可以通过方案界面上面的【EXPORT】进行导出，如图：
     

WEBENCH支持目前主流的PCB软件工具，后面再介绍。
【工作数值】截图如下：这里的信息非常多，前面的参数可以通过后面的说明看到，这里不再一一解释了。



点击【材料清单】界面，系统会整个屏幕显示，这里可以将清单输出EXCEL表单，方便查阅，可以看到这里的BOM成本3.7美金。WEBENCH每个零件都给出了详细的信息，包括制造商，零件编号，数量，价格，属性，覆盖面积，3D效果中的顶视图等，如果手头没有某个元件，可以点击绿色按钮【选择替代零件】     


这里用到了一个F104R类型的工字型电感，实际中也用到了，这个通常不便宜的。
  点击界面右上角的【优化选项】，进行优化后，系统会给出一些图表：如下图：


这三个图表分别是功率耗散、电路温度和频率、尺寸和效率图表，通过这些图表，可以更加详细地了解TPS54331芯片方案的各种参数。
(4) 生成设计报告和导出原理图
    在整个芯片方案的右下角【您的整个设计】里面，可以打印设计报告，导出原理图。如图：

     

点击上面的【Design Documentation】就可以生成设计报告了，点击【Schematic CAD File Export】就可以导出原理图了。
设计报告以PDF文档的格式呈现，由方案整体描述、电路原理图、电气材料清单、图表、工作数值和设计输入参数等内容，通过设计报告，可以详细地分析该电源设计方案了。
点击导出原理图后，出现界面如下图：
     

这里本人习惯用Altium Designer,所以选择第一个选项，等待几秒钟后，会出现下图的提示：

提示信息就是：导出成功完成，可以点击绿色按钮【Download file】进行下载了。点击下载按钮后，出现下面的界面，找打一个合适的路径，点确定保存即可

  压缩文件里面内容比较多，截图如下：


这个工具的参考时间是以美国时间为准的，所以设计日期上面的时间总比国内差不多一天，这个压缩包里面，最重要的就是原理图文件了，其它的可以不管，用AD打开后，如下图：

图表很大，格式不规整，这个还得自己修改。新设计方案的话要注意这一点！
(5) 总结
    使用这个工具设计电源部分是很方便的，一般在几分钟到几十分钟就可以得到一个框架和报告，再进行修改就简单了。如果从德州仪器官网或电源选型样本里面找到合适的芯片的话，最少也得半天时间才能搞定。通过设计报告，可以得到该芯片方案的全部信息：
    方案采用TPS54331DR芯片，采用BUCK拓扑架构，BOM成本3.7美金，按照现价大约：23元。其中TPS54331DR  0.75美金，约5元。总功率：1.63W,面积大小558MM2，BOM数量15个。通过以下图表可以得到，

当输出电流在500mA时，效率能达到75%以上，最大630mA时，效率接近78%，这个效率比一般的AMS117方案要好很多。下面是设计实物图片：  

当时芯片采购价在10元/片（量不大，价格高一些），电阻、电感和电容元件花费在2元左右，可能是买的国货的原因。

【设计报告】

webench_design_1284796_1679_242151935.pdf
【设计原理图压缩包】

webench_schematic_exchange_design_1284796_1679_Altium.zip