硬件电路设计之板载电源电路设计

1 简介

板载电源设计常用的有两种方式：DC-DC电路和 LDO电路 。LDO即Low Dropout Regulator，是一种低压差线性稳压器。这是相对于传统的线性稳压器来说的。DC-DC是一种新研制的小型化电源开关模块，它是采用微电子技术，把小型表面安装集成电路与微型电子元器件组装成一体而构成。这两种电源设计的方式主要区别见下：

电源类型	DC-DC电源	LDO电源
优点	效率高，输入电压范围较宽。	稳定性好，负载响应快。输出纹波小。
缺点	负载响应比LDO差，输出纹波比LDO大。	效率低，输入输出的电压差不能太大。负载不能太大，目前最大的LDO为5A。

2 板载电流的计算

2.1 电流计算

DC-DC电路电流计算

DC-DC电路的输入12V电压，负载电压为3.3V，1.5A，那么如何计算输入的电路？

常用DC-DC芯片的手册首页通常会表示清楚在不同应用场景下，DC-DC芯片对应的效率（我在计算DC-DC转换效率时，一般按照85%来计算），见下图：

此处按照85%的转换效率来计算，则：

可以计算出：I = 3.3V * 1.5A ➗ 85% ➗12V ≈0.485A

• LDO电路电流计算

LDO电路电流的计算方式与DC-DC不同，当LDO电路的输入12V电压，负载电压为3.3V，1.5A时，输入电流与输出电流相同，均为1.5A。

2.2 电流计算工具推荐

为了简化计算，在这里给各位老铁推荐一款比较好用的电流计算工具（LTpowerPlanner），也可用来绘制电源树。ADI提供了一个绘制电源树特别方便的工具，能极大减少我们绘制电源树的时间成本，支持一键计算所有参数。效果见下图：

3 电路设计实战

3.1 DC-DC电路设计

• 大电流输出
  TPS568215RNNR的输入电压范围：4.5 ~ 17V，输出电压范围：0.5~5.5V，最大输出电流8A。

• 小电流输出

TPS62067DSGR的输入电压范围：2.9 ~ 6V，输出电压范围：0.8~6V，输出最大电流为2A。

可以很明显看出，DC-DC电源设计过程中，都会存在一个电感。下面会有专门的章节介绍电感选型的过程。

3.2 LDO电路设计

TPS62067DSGR的输入电压范围：1.1 ~ 6.5V，输出电压范围：0.8~5.2V，输出最大电流为2A。

4 计算最小电感量

计算最小电感，将DC-DC转换电路划分为Buck电路和Boost电路进行考虑。

4.1 最小电感的计算

• Buck电路最小电感值计算

Buck转换电路的，最小电感的计算公式如下:

序号	名称	意义
1	Vin	输入电压
2	Vout	输出电压
3	Fs	开关频率
4	ΔI	电感峰值电流

通常ΔI取额定电流Irat的"1/2"，则上述公式变化如下：

• Boost电路最小电感值计算
  Boost转换电路的，最小电感的计算公式如下：

4.2 案例分析

• 计算电感值

需要根据电感的精度，计算电感值，并且需要留有一定的裕量。

需要根据电感的精度，计算电感值，并且需要留有一定的裕量。

对于精度为20%的电感，若设计的裕量为5%，则需要设计的电感值为：

L = （1+20%+5%）*Lmin

• 标称电感的计算
  实际使用的电感会比我们计算出来的电感稍大，我们称为标称电感。
  以Boost电路为例，输入电压为4.2V，开关频率为1.2MHz，输出电流为500mA，输出电压为5V，那么需要的电感为：
  
  则：L=2.24μH×1.25=2.8μH，比2.8μH稍大的标称电感为3.3μH，所以DC-DC外部电感选用3.3μH电感。
• 电流计算
  确定确认所选择电感的饱和电流Isat要大于Imax，温升电流要大于输出电流。电流要求：

Imax=Iout+1/2×ΔI=Iout+1/4×Iout=1.25×Iout=1.25×0.5A=0.625A

4.3 注意事项

• 电感自谐频率f0需是开关频率Fs的10倍以上。
• 饱和电流Isat和温升电流Irms中的电流较小值进行设定。
• 大电流区，DCR起决定性作用，DCR越大，转换效率越低。
• 叠层电感比绕线电感的散热性好、ESR值更小、成本较低，但耐电流比绕线电感小。
• 选择带磁屏蔽(屏蔽罩或磁性胶水涂覆)的电感可有效改善EMI。
• 电感的尺寸：同等标称电感量，尺寸的大小直接影响选材的成本。
• 电感饱和会导致电流急剧增加，使电感温度升高，并影响其它元件的寿命。