概述这篇文章复盘基于ISL81601的100W升降压电路设计从正向设计的角度分析包括主电路硬件参数设计元器件选型芯片外围电路参数选型PCB板绘制以及设计过程中的疑难点分析、所犯的错误的未来改正方案。由于本人仍然处于初学阶段因为知识、经验和水平所限文章中一定存在不少疏漏和不足的地方有些改进观点也值得商榷希望读到此文的君子能提出宝贵的批评和意见。明确设计目标与边界参数类型参数值正向输入电压范围16V-30V反向输入电压范围15V-16V额定输出电压20V额定输出电流5A额定功率100W开关频率200kHz表1 电路基本参数设计说明开关频率的选择是电源设计的核心ISL81601支持的频率范围从100kHz到600kHz200kHz介于低频和高频之间是常用的设计起步值。芯片数据手册中多数性能曲线以200kHz测试因此频率设计便于与芯片手册进行对比分析。需要注意的是这个频率选择并非经过精细优化而是作为本次设计的起始约束后续仍然可根据实测效率、温升或者电感体积进行二次调整。Mathcad计算书截图图1 设计目标功率参数计算电感选型功率电感的参数计算是根据纹波电流和开关频率而来的。想要得到纹波电流就要先知道平均电流然后加上纹波系数得到纹波电流的大小。而电感平均电流又因为工作工况的不同而不同。在设计的时候要选取最恶劣工况进行计算。先算出最极限的升压模式和最极限的降压模式它们分别的电感平均电流。取其中的最大值然后根据我们所选定的纹波系数得到纹波电流。再根据芯片手册中的电感计算公式得到升压模式时候所需要的电感量和降压模式时所需要的电感量然后取两者之间的最大值。在进行工程降额以及选定可购买的实际商品型号。在反向验算确定所选取的电感值满足设计的纹波要求。Mathcad计算过程如图图2 纹波电流与滤波电感参数计算输入电容选型输入电容以防止发热烧毁和限制母线纹波为目的。在已知最恶劣工况下母线电流的大小的基础上通过设定能够容忍的最大母线电压跌落范围计算母线电容的容值。图3 母线电容容值计算单纯得到电容的容值是不够的实际设计中还需要考虑电容的种类和特性包括精度、耐压、可承受的最大纹波电流、封装尺寸以及成本等问题。这里选择铝电解电容和陶瓷电容并联大容量与电解电容负责支持能量陶瓷电容负责高频滤波同时考虑到陶瓷电容在直流偏置下实际容量和额定容量会有显著差异所以要使用多个陶瓷电容并联。图4-5 直流滤波电容选择输出电容选型输出电容以承载负载跳变和限制输出纹波为目的。同样的先寻找电容会承受的最恶劣电流工况然后设定一个在负载变化时我们可以接受的输出电压变化百分比进而通过公式计算。然后还要考虑输出纹波限制这就要求我们所选择的实际电容不能有太大的寄生电阻。Mathcad计算过程图6 输出电容计算因为输出电容对电容的寄生电阻有要求所以不能选择常规的铝电解电容铝电解电容有非常大的寄生电阻这里选择固态电容和X7R电容并联。如图所示图7-8 输出电容选型采样电阻选型设计输入电容需要先计算电容电流应力和负载瞬态响应来得到计算的最小容值。先根据平均电流和纹波电流计算电容会承受的峰值电流。如图图9 峰值电流计算采样电阻的选取要注意在电流最大的时候采样电阻上的压降也不能超过芯片的保护峰值。从而避免在正常电流范围内触发芯片的误保护。计算过程如图图10 检流电阻计算在选择检流电阻的时候因为电阻直接串联在电路中所以要考虑电阻的功率等级需要采用更大型号的封装普通的0805可能会因为超出额定功率损坏。Mosfet选型选择开关管的时候要先确定开关管所承受的电压和最大电流然后在此基础上降额选取。然后初选一个合适的开关管。对这个开关管进行热计算判断它是否能承载足够的功率而不至于温升过高。Mathcad计算过程如图图11 Mosfet选型和热计算过程在选择开关管的时候要注意耐压耐流、导通电阻、栅级电荷和温升系数等参数有的开关管可能耐压耐流都符合要求但是栅级电荷太大芯片自带的驱动能力不足以支撑。同时一些开关管他们的栅级电荷和导通电阻可会随着工作温度的变化产生较为明显的变化所以在选择开关管的时候不能只看典型值而要看数据手册中的曲线如果只用典型值进行计算会产生很大的误差。同时对于同样的开关管还要关注它的封装型号有些封装更方便加散热片而有些需要采用其他方法散热。而且他们对PCB板所需面积和高度的要求也是不同的。控制与保护外围参数设定EN/UVLOEN/UVLO这个引脚通过分压电阻设定电路何时启动还要根据我们的设计目标进行选取电压启动值。计算出一个结果后再选取真实的商品电阻值验算看是否在合理范围内。因为设计目标的工作范围在15V到30V之间。所以这里启动电压选择14V如图图12 EN/UVLO引脚参数计算频率设定电阻通过配置芯片引脚外连接的电阻阻值可以控制pwm波的频率可以根据芯片手册中的公式计算电阻值。图13 计算频率设定电阻平均电流检测电阻根据芯片手册可以得到芯片内部偏置电流和基准电压值等相关信息设定出我们需要的最大限流值这里取10A带入芯片手册中的公式。计算过程如图图14 平均电流检测电阻计算FB_IN因为ISL81601是一款双向升降压芯片,可以通过外部电路配置当直流侧电压在什么范围时电路从输出侧抽取电流向输入侧反向充电。这里设置输入侧为14V-15V时电路处于反向工作模式。因为计算值互相依赖所以我们需要先设定其中一个值然后在这个值的基础上求出另一个参数的值然后再核对如果计算结果不满意那就要重新选定一个初始值再重复计算验证。图15 FB_IN引脚分压电阻配置FB_OUTFB_OUT这个引脚控制输出电压的值,我们需要通过配置电阻分压使得分压在芯片输入引脚上的电压为0.8伏,芯片检测到0.8伏就会判定输出电压达到标准。分压电阻的值要相对较大如果值太小了会造成漏电流等现象。计算过程如图图16 FB_OUT分压电阻计算COMP补偿网络COMP引脚是内部误差放大器的公共输出端它是芯片电流内环的基准信号控制点。芯片内部有四个误差放大器分别控制输出电压输入电压输出电流输入电流。COMP引脚电压代表了当前限制系统运行的最严格要求。它直接决定了电感峰值谷值电流的阈值。电压越高允许流过电感的电流就越大反之电压越低电感电流就越小。这个引脚外接的是rc补偿网络用于补偿电压环路的稳定性控制环路带宽和相位域度。对于积分电容CCOMP1增大这个值环路相位裕度会增加电路会更稳定但是会导致带宽降低也就是动态响应变慢。对于增益电阻RCOMP增大这个值系统响应速度会加快但是稳定性会下降。减小这个值环路增益降低电路响应变慢但是稳定性提高。同时另一个较小的电容CCOMP2用于滤除引脚上的高频噪声它的值远小于CCOMP1 。这个引脚的物理意义是当电路正常稳态运行空载或空载的时候实测这个点的电压应该在1V到2V左右。当电路处于重载工况或者负载跳变的瞬间这个点的电压应该会升高到2.5V到3.8V,如果这个点的电压在1.2V附近说明平均电流环正在起作用。如果这个点的电压接近0V说明系统触发了过流保护。这里采用芯片手册推荐的值进行初步设计如果电路响应速度或稳定性不够好可以在实操中进一步修正。图15 COMP补偿网络软启动电容首先设定软启动时间然后带入芯片手册中的计算公式得到软启动电容的大小。图16 软启动电容计算到这一步芯片外围大部分参数的计算已经完成。总结本篇文章记录了基于ISL81601的升降压电路的参数正向设计过程逐项完成了电感电容开关管和关键引脚外围电阻的参数计算与选型。同时注意到了不同种类的电容不同封装在实际应用中该怎么选取。在Mathcad里面计算出来的参数。虽然是从公式的角度出发但也不能保证他们完全是合适的。仍然需要在实际调试过程中不断修改在实际过程中可能会遇到各种各样的问题。例如一款参数非常合适的开关管价格太贵或者暂时缺货那就需要寻找能替代它的材料。又或者手边的某款电容恰好用完了那我能不能用另一款电容暂时替代在实际调试中会遇到许多类似的问题。