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开关电源模块总结

2015-11-19 13:15:32  8286 开关电源 稳压
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本帖最后由 一瓢水 于 2015-11-19 13:14 编辑


前一段时间做了一次开关电源的模块MP38892,没有想那么多,结果一不小心造成了连烧7个片子,经过一番查找,以及以后的几次试验,终于找到了部分原因,不过最近也比较忙,拖到现在才有空总结一下对开关电源的认识。
所谓开关电源我个人认为就类似于PWM调压,通过控制高压侧和低压侧MOSFET的导通频率以及占空比来调节输出电压,再通过RLC稳压滤波即可得到所需的电压,故可以是降压型也可以是升压型,但是需注意开关电压的振铃;而线性稳压器的工作原理就是输出恒定电压,将剩余的输入输出电压差与输出电流的乘积都变成热损耗。
最近又做了两款开关电源MP38892LM3150,他们的要求分别是5V3A输出和5V10A输出,都是20V输入,当然输入电压和输出电压都是可调的。由于问题多集中在MP38892上,故以MP38892来进行总结。
说这个之前应该先要理解一个知识--振铃。如下图(功率部分器件的定义)是一个典型同步buck 变换器的原理图。随着功率器件性能的提升,控制管能够以大于10kv/us 的速度进行电压切换。然而,开关速度越快,开关噪声则越大。特别是当控制管打开而同步管关闭时,环路电感,环路电阻以及同步管的输出电容组成一个RLC 回路,并会在谐振频率下震荡。震荡会导致电压的过冲以及在开关节点上的振铃。
file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD78B.tmp.jpg
图片1.png

功率部分器件的定义

为了更好的理解振铃的原理,将对开关瞬态过程做一个详细的分析。假设控制管关闭, 同步管打开,所有的电压已经稳定,电感电流IL 开始降低(以特定的斜率),见下图(开关节点的波形)的阶段1。阶段2,同步管开始关闭,控制管打开前会有一段死区时间来防止直通。在这段死区时间内,电感电流会从同步管的体二极管中流过,导致开关节点的电压有一个小的下降。阶段3 以控制管的打开开始,随着控制管上流过电流的增加,导致同步管体二极管逐渐关断。体二极管的反向电流以及同步管电容电压的充电会造成流过控制管电流的过冲。
而这个电流过冲则会被同步管的输出电容所吸收,导致开关节点上电压的过冲。同步管的电容,寄生电感(封装电感,较差的布局,等等)组成了谐振网络,导致了开关管上的振铃(见阶段3)。
1. 由于振铃会在开关节点上叠加,所以有两方面要去考虑:
a. 电压裕度
2. 振铃第一次尖峰电压的幅值与MOSFET 击穿电压的比例
b. 电磁干扰/电磁兼容
因为振铃产生的传导和辐射噪声
file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB848.tmp.jpg
图片2.png

开关节点的波形

    电磁干扰/电磁兼容问题比较主观且非常依赖于整体系统的设计。故不在此叙述,主要侧重于电压裕度的分析
根据MP38892DataSheets中关于PCB布线及布局图有以下的提示说明(PCB Layout Guide):
PCB layout is very important to achieve stable operation. Please follow these guidelines and take Figure3 for references.
1) Keep the path of switching current short and minimize the loop area formed by Input cap, high-side and low-side MOSFETs.
2) Keep the connection of low-side MOSFET between SW pin and input power ground as short and wide as possible.
3) Ensure all feedback connections are short and direct. Place the feedback resistors and compensation components as close to the chip as possible.
4) Route SW away from sensitive analog areas such as FB.
5) Connect IN, SW, and especially GND respectively to a large copper area to cool the chip to improve thermal peRFormance and long-term reliability.
我英语不好,所以使用大谷歌的翻译以及自己的理解给出一下的中文翻译:
1)保证开关电流的路径短,并最大限度地减少输入电容和MOSFET的高侧跟MOSFET低侧所形成的环路面积。
2)保持低边MOSFETSW引脚和输入电源地短而宽越好之间的连接。
3)确保所有的反馈连线短而直。尽可能将反馈电阻和补偿元件靠近芯片
4)敏感的模拟路线应远离SW区域,如FB
5INSWGND应大面积敷铜,特别是GND,便于芯片的散热,以提高散热性能和长期可靠性。
如下图是手册上给的布局图,这个图上要注意的也有以下几个点‘当然这些知识我个人的一点总结,欢迎来指正错误。
1. 如图中所标的1区域是SW的敷铜区,这个面积比较大而宽,但也不是尽量的的宽,如右侧的电感的那段只是靠近的一点相连,还有就是该信号与地及输入等其他信号线之间的间距要相对比较大,以防止电磁干扰;
2. 如图中2的位置是顶层地与地层地的连接过孔,该处主要体现了模拟信号中的大电流地与小电流地的单点相连,即单点接地,这样的好处是不会形成地环路,减小电磁干扰;
3. 如图中3所示,结合背面的布线可以看到该信号是输电电压的反馈信号线,该信号线应靠近滤波电容的位置,这样减小反馈电压的纹波。
4. 如图中4所示芯片的热焊盘以及顶部有大面积的敷铜以及过孔,这样方便芯片的散热和空气流通;
5. 图中5该引脚是MOSFET门控制信号,他走底层,远离了大电流区域,以防止被干扰;
6. 图中6区域是大电流区域,该区域是输入地和MOSFET的低侧,该区域应将尽可能的短而宽,来降低纹波。
图片3.png 图片4.png file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB859.tmp.jpgfile:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB85A.tmp.jpg
如下图1所示为V1-0版本的PCB电路:
file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB86A.tmp.jpg
图片5.png

1
下图2以及图3是在V1-0版本中测试的过冲电压的峰峰值为35.2V静态电流54mA,这一版本中有以下问题需要调整布局改正。
1电感输出距离地较远;
2大电流地与小电流地没有隔离,没有采用单点接地。
3静态电流太大。
file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB86B.tmp.jpg
图片6.png

2
图片7.png

file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB87C.tmp.jpg

3
如下图4V1-1版本的电路图,该版本调整了电感的输出方向,采用了单点接地的方式,如图4所示中图中标记为1的地方是单间接地的孔,图片中23的位置在背面是没有跟地层的敷铜相连接。如图5和图6所示的是本次过冲电压的峰峰值为35.9V,静态电流为44mA,这个静态电流仍然很大,猜想所选用的MOSFET型号为AOD4184A的片子有问题,更改为新买的同型号的MOSFET,如图78所示为更改后的过冲电压的峰峰值为32V,静态电流为37mA,本版本猜想有以下问题:
1 如如图中4MOSFETGND跟图中5的位置输入GND的距离太远,才引起过充电压的峰峰值过大,所以要调整;
2 静态电流过大的有可能是有MOSFET引起的,所以想修改为irf7821,只不过它的最高电压为30V
file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB87D.tmp.jpg
图片8.png

4

图片9.png

file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB88E.tmp.jpg

5
图片10.png

file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB88F.tmp.jpg

6
图片11.png

file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB890.tmp.jpg

7

file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB8A0.tmp.jpg
图片12.png

8

如下图9版本中是将MOSFET更换为IRF7821,如图1011是它的过冲电压的峰峰值为27.9V,静态电流为30mA,静态电流又小了一点,说明猜想2还是对的。
file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB8A1.tmp.jpg
图片13.png

9
图片14.png

file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB8B2.tmp.jpg

10
图片15.png

file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB8B3.tmp.jpg

11


如下图是将是将MOSFET更换为IRF7821,并且将其源极接地更靠近输入地,如图12所示,图13是它的过冲电压的峰峰值为29.9V,静态电流为30mA,相比而言这时候更该接地的位置没有明显的改变。
file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB8C3.tmp.jpg
图片16.png

12
图片17.png

file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB8C4.tmp.jpg

13

虽然该型号的MOS管的峰值电压降低了,但是该型号的MOS管的额定电压在30V,故该MOS管已被击穿,不适合。

其实对于本电路中的MOS管的要求很高,而且同等型号的管子质量也参差不齐,所以在资金不敏感的时候建议去正规渠道购买。当然能在某宝上买到质量好的也是要看运气的。如下图1415是在武汉力源买的AOD4184的效果:
file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB8D5.tmp.jpg
图片18.png

14
图片19.png

file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB8D6.tmp.jpg

15

file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB8D7.tmp.jpg
图片20.png

16


相比较而言还是第二次在淘宝智翔科技买的MOS管好用一点,所以有的时候没有达到理想的数据,跟买的片子的质量也有关系。
接着产品要求改成输出工作电流要在8A,就做了LM3150的模块,之前先买了LM3150开发板,如下图为开发板的的电源测试:
file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB8E8.tmp.png
图片21.png

17

file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB8F8.tmp.jpg
图片22.png

18

file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB8F9.tmp.jpg
图片23.png

19

图片24.png

file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB90A.tmp.png

19

下面是我做的LM3150的开关电源板,该板是四层1mm厚的30*50mm的板子,正常工作电流是8A,允许在10A工作,该电路为了跟之前在淘宝上购买的一款模块大小和输入输出兼容,所以有些地方还是有一定的不合理处。
file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB91A.tmp.png
图片25.png

20

以下是该模块的测试数据,这是在输出在5A的时候的参数,该电路的高压侧和低压侧的MOS管都是采用AON6236的片子。
file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB91B.tmp.jpg
图片26.png

21
图片27.png

file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB91C.tmp.jpg

22
图片28.png

file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB92D.tmp.png

23


而且又买了三种MOS管又有如下共计4中测试测试:
1) 在低压侧采用infineonBSC050N03MSG,而高压侧采用InfineonBSC080N03LS,输出电流8A
file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB93E.tmp.png
图片29.png

2) 在低压侧采用AON6236,而高压侧采用InfineonBSC080N03LS,输出电流8A
file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB93F.tmp.png
图片30.png

3) 采用在低压侧采用InfineonBSC050N03MSG,而高压侧采用AON6236,输出电流8A
file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB94F.tmp.png
图片31.png

4) 采用在低压侧采用AON6236,而高压侧采用AON6236,输出电流8A
file:///C:\Users\Leoet\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsB960.tmp.png
图片32.png

虽然测试的振铃的峰峰值电压大约都在28V左右,但是InfineonBSC050N03MSGBSC080N03LS的漏源级电压为Vds=30V,峰值电压28V高于其Vds80%24V),只而AON6236的源级电压为Vds=40V,故只能选用AON6236
对于MOS管中内阻越大输出结电容Coss就越小,则开关频率越高,反之则低,故内阻越大的大的适合做高压侧,内阻低的适合做低压侧。
[qq]873915019[/qq]
8

开关电源更改记录.pdf

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· 2015-11-20 10:05:26
不错,借鉴学习一下
· 2015-11-20 10:36:56
谢谢楼主总结分享
· 2015-11-24 11:25:58
开关电源是个完整的小模拟系统,很有代表性,楼主的资料太好了,感谢分享
· 2015-11-26 21:02:49
下来看看。学习学习
· 2016-3-22 14:51:50

下来看看。学习学习
· 2016-3-24 22:14:26
学习学习f非常实用
· 2016-4-6 08:24:20
很有用的一片实战分析!!感谢楼主的分享!!
· 2016-6-23 20:05:22
好。。。。。。。。。。。。。。。。
· 2016-6-24 16:30:45
算实战经验吧,很形象,谢谢分享!
· 2016-7-18 18:15:00
真的是好文章,
· 2017-6-8 22:30:52
请问  楼主  应该给 开关电源 多大的PWM(占空比),从而使它输出5V的电压  ??还有,怎么看该开关电源是否是闭环的,,也就是可以自己调节PWM,,从而输出电压。。
· 2017-9-30 23:27:04
学习学习!
· 2017-11-23 09:01:51
要看看,学习学习。

· 2018-1-18 08:29:42
感谢楼主分享!!!
· 2018-3-9 14:11:53
谢谢分享,谢谢
· 2018-10-12 11:39:06
我们也是做开关电源模块的 看了你的分享 学到很多哦

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