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科技日新月异，各大半导体机构推出了成千上万的芯片，原来经典的芯片还拥有领先性吗？
今天从实战处理问题的方向出发，对比经典电源芯片与新兴的电源芯片的异同，以及教大众怎样基于真实的需要完成器件选型，开启板级电源的设计。
器件选型触及到非常多的考量原因，虽然大众都已然学习了区别的电源的拓扑结构，但当真正做设计的时候，到底选哪个芯片，还是无从下手。有可能就找一个过去用过的，用得顺手的或找同事或是机构以前用过的简单芯片，快速拿过来就用。但大众有想过吗，有可能你选取的这个器件真的不必定匹配和适合新的设计。
因此接下来，老师带领大众思考板级电源的设计及选型问题。下面就挑选了大部分工程师在设计中会用到的四大类芯片：Reference 电压基准、LDO、降压Buck电路与升压Boost电路。这四大类别基本上包括了板级电源设计其中90%以上的电源需要。
每一个电源需要考量非常多区别的参数指标：
例如开篇讲过的LDO 在设计时，就要思虑到输出电流、最小压差、实质工况、封装热阻、低噪声、瞬态响应、静态电流等等。
而Buck和Boost则要思虑输入/输出电压、输出电流的能力、开关频率、转换效率、瞬态响应、静态电流、纹波和EMI等等。
同期Buck和Boost还有两个参数指标要单独思虑，Buck电路的最大占空比，Boost电路的输出隔离。
大众看到的Buck电路和Boost电路用的最多的都是集成MOS管、电感外置的。什么状况下需要用来Controller，用外置的MOS管呢？此刻比较流行的全集成模块到底有什么优点，什么缺点？下面将会一一解答。
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Reference 电压基准
电压基准在板上的应用，非常多人不会留意。在讲LDO的时候，咱们亦提醒过大众，千万不要用LDO去代替Reference。
在信号链路中，为何要用Reference电压基准呢？由于在ADC和DAC的电路其中，都需要有一个能够用来做比较的、精细的、稳定的、靠谱的、低噪声的、期盼它恒定不变的电压源做为基准。
基准是有专门的芯片的，从结构上来讲分为两大类：
一类是并联型或分流型电压基准；一类是串联型的电压基准，一般有三个脚，给它加一个电压，而后它的另一一个脚就是输出一个稳定的基准，咱们叫串联型的电压基准。
在选型时，基准电压有什么参数指标要去思虑？低噪声、初始电压精度 温度稳定性、长时间漂移。
第1个，为何噪声如此重要？以ADC采样为例，倘若咱们用ADC对信号做采样。假如基准是3.3V，那这个ADC采样的最小分度是多少呢？倘若是12位ADC，最小分度是0.8mV，以此类推，倘若是20bit的ADC的时，就需要3μV的最小分度，24bit则是0.2μV。这就寓意着基准电压上面的纹波噪声不可超出了最小分度，否则ADC就没法比较，换句话说看不到真实的信号。因此基准电源的噪声尤为重要。
在基准电压芯片的数据手册中，有这几项：
为何不可用LDO做基准，由于LDO的初始精度一般是1%或2%，3.3V并不是3.3V。但倘若用基准芯片，标叫作的是±0.025%，寓意着上电之后2.5V的基准，输出的电压值足够精细，便是±0.025%这个误差范围之内，非常非常精细。
第二，温度稳定性为何重要？
在这个表格里面便是Low Dritt，便是当温度每变化一度，基准的电压就会出现偏移。
例如2.5V电压偏移多少，每一度百万分之二这个参数值，亦是远远好于LDO的。温度稳定性决定了电路在区别的工作环境下，它的基准会不会漂移。
第三个，长时间漂移是什么？
便是上电用了一段时间之后，电压会慢慢地漂，但漂得很小。那这个长时间漂移咱们叫Long Term Drift，便是上图中的第三个参数。
还有一个参数便是静态电流，在工业设备上道理不大，但在手持设备或是需要长时间稳定工作的精细采样设备中，静态电流就比较重要了。所有的这个基准的芯片在规格书里面都会给出这个Operation current，会看到例如说LT1389800nA 就0.8μA，而后REF3325 3312 339 各不同样，其实已然很低了。
电压基准的设计选型其中的有些需求和重视事项：第1点是选取基准的时候，首要要判断ADC或是所需要的最小分度和精度是多少位的或DAC这个精度要多少；第二点是要思虑的工作环境、温度稳定性，要去算这个误差会不会在范围之内。只要噪声、初始精度和稳定性都能搞定，基本上便是一个符合需求的基准电压芯片。
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LDO电源设计选型要点
为何用LDO而不是用DC-DC？由于LDO简单，三个脚，一正一负一输出。然则LDO是有潜在危害的，用LDO的时候要思虑以下参数：输出的电流能力、最小压差、封装的热阻。
大众用LDO的时候，必定想要方设法地降低工况的压差，有两个参数指标，一个叫芯片的最小压差，便是输入端电压必须要比输出端要高。有些芯片可能仅有30mV或40mV，而有的需要0.6V。倘若能够选取最小的压差的芯片，况且去调节工况，就能够极重的优化LDO的效率。
举个例子，板子需要一个1.8V的电压，从2.5V转1.8V和从5V转1.8V，效率、损失和发热，差的不是一倍两倍。因此想用最小压差的芯片，就尽可能去找跟需要的输出电压最接近的那个电压的LDO。倘若电流尤其大，5A、10A，此时一般就不意见用LDO，会发热严重。
另一LDO的噪声亦非常重要，LT1763-3.3这个输出的噪声大概是可能几十个μV，比开关电源要小非常多。
在时钟或射频、微波的电路中，LDO能够做一个非常纯粹的电源。尤其是做无线通讯的时候，这儿面就有一个很重要的参数指标，PSRR输入输出的噪声控制比。dB值越高说明LDO的纹波和噪声的控制能力就越强。
业界两大机构ADI 和TI的超低噪声到底能流到什么水平？
倘若看RMS噪声，ADI有一系列的制品的RMS的噪声仅有0.8uV，TI有一个器件器件有0.46uV，真的是超低噪声。
LDO不仅看RMS的噪声，还要看它的噪声控制比，每家各有所长。TI最牛的最低噪声LDO，它的PSRR值大概78个dB。然则ADI的最高竟然能够高到117dB，简直真的是逆天了。
从噪声和PSRR值来讲，这表率了行业里面比较顶尖的水平。当而后面还应该会有越来越多的机构挑战这个极限，推高PSRR和降低RMS的Noise。
倘若你做微波射频、高精度采样，那这个电源必定是需要选超低噪声的LDO的，但倘若是普通的数字电路那无所说了，1117就能够。
关于区别厂家的1117芯片对比以及瞬态响应复盘，在视频中有仔细的讲解，能够拉至22:00分学习，这儿再也不介绍了。
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开关电源设计选型要点
经典的未必永恒。LM2596电路，相信很多工程师对这个电路熟练的不可再熟练。有人拿LM2596做简单的电源模块，然则这个经典的电路真的很好吗？
LM2596已然用了二三十年了，此刻亦出了新的芯片LM53603，还有ADI的LT8641，各样各样的芯片。这些芯片的区别在哪里呢？
首要看电感值，LM2596 47μH，LM53603 2.2μH，LT8641 4.7μH。倘若一样的电流，感值仅有其他的1/10，体积就大大的减少了。另一，一样的电流，绕到47μH的感值，要绕非常多圈，铜亦是有铜损的。因此大感值在电源系统里面未必真的是永恒的东西。
第二看输出电容，标配的规格书上面写的220μF 330μF乃至有470μF的电容，体积很大。然则新的器件三个22μF，差距够大。倘若看占板面积，这个差别更大。
LT8641占板面积
LM53603占板面积
LM2596占板面积
从上面几张图能够看出：LM2596电路图，除了LM2596大芯片，还有两个大电容、一个大电感、二极管，一堆东西占板面积很大。而TI的新芯片的占板面积15mm×17mm，ADI的比这个还小，12mm×15mm上下。性能指标毫无疑问必定亦是有优良的。
LM2596还需要一个二极管，这个很经典的二极管。然则LM53603，LT8641这两个电路都无二极管，为了提有效率，在新的设计其中已然用MOS管来代替这个续流二级管，咱们叫同步整流，这般会极重地加强系统的效率，况且外面不需要再加二极管，新的电路简单非常多，体积小非常多，性能亦要好非常多。
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以上对比，能够看出经典的东西，由于随着时代的变迁，可能真的不得不被淘汰。
下面来看一下说Buck/Boost的电路，在设计其中咱们需要关注的参数和性能。
第1个输入输出电压和输出电流
那输入输出电压输出电压不消多讲，与用电设备相关。但输入电压要思虑系统的波动，例如说一个直流5V的适配器热插拔，电压值会冲到九点几V。倘若选6.3V的DC/DC大概率就会烧掉，因此咱们一般意见倘若是板级用，选1.5倍的输入电压。倘若是外面插线，最好按2倍来选。
电流怎么选呢？倘若系统需要1A的电流，开关电源最好是选取2A上下的，这般有必定的余量，效率亦比较高。然则要重视系统里面瞬间的峰值功率会不会很大，倘若会，还要把这个值往上调。
第二个开关频率和转化效率
除了看系统有无同步整流的二极管影响效率之外，最重要的两个损耗：开关频率越高推动两个MOS管去开关的时候，所需要的能量就越高，这叫开关损耗。由于MOS管本身是有Rds(on)，Gate端有Qg，要驱动Gate端，Rds(on)会产生损耗的话，频率越高，损耗越大。但是频率高的时候电感感值比较小，寓意着电感的内阻比较小，损耗会降低，因此这个平衡便是开关损耗和电感损耗。
当对效率追求极致的时候，咱们一般会做区别的开关频率，区别的电感感值，而后去测绘效率点。因此开关频率和转换效率必须要去做平衡的，要么就追求开关频率高，而后很小的体积，然则这个时候效率会低。要么能够把开关频率适当下降，虽然说电感损耗会大一点，然则开关损耗会下来，效率会适当的优化。
当然还有一点是电路里面有上管下管两个MOS管、一个电感，PWM的波形提升的这个斜率亦会影响到效率。上管和下管是不可同期打开的，在系统设计里面都会有一个固定的死区时间，为了避免上管下管直接导通。这个死区时间倘若越大，它对系统效率的影响亦大。
第三个瞬态响应
开关电源的瞬态响应和电路的开关频率、电容的特性有很大关系。
大众看这个波形：
这个应该是二三十年前用模拟示波器测的，0.5A到2A的电流变化，它的瞬态响应接近300mV，电压的波动已然很大了。
然则倘若你看新的芯片，0到3A 这个电流比上面的大，但瞬态响应亦就200多mV。如果把电流变化设成500mA到2A，瞬态响应必定是非常小的。
因此咱们能够理解为：这两个芯片，频率高的用的陶瓷电容或内阻比较小的，瞬态响应是有优化的。
第四个静态电流
静态电流与芯片的工作模式、芯片设计相关。倘若做板级的设计是工业掌控这种机床，静态电流体积是无所说。但倘若是用的手持设备或用电池供电的设备，静态电流就不可忽略。
先看经典的LM2596，它有150KHz的开关频率，是固定频率模式，便是不管有无负载，固定频率正在波动，静态在5到10mA。
看LM53603，有一个自动轻负载模式，2.1M开关频率，然则它的静态电流仅有24个uA，比2596小非常多。而LM8614静态电流就更低，仅有2.5uA。
第五个纹波和噪声
先去简单地看一下纹波和噪声是怎么产生的。这是一个非常经典的Buck电路：
Buck电路的工作在上半周，即上管打开的时候，是经过Vin、上管、电感和负载形成一个环路，这般的话电感就有工作电流。而电感的电流是不可突变的，那当上管关闭、下管打开的时候，这个电感的电流会在输出和下管之间循环。而后PWM波形便是上管、下管交替打开就行了，经过电感的储能释放，实现了电压降压的变换。
咱们就会发掘下面的电感其实是有个泄放回路的，便是Mbot，给电感续流，然则在输入端的引脚上的寄生电感就无那样走运了，当上管打开、关闭的瞬间，这儿面电感的电流无地区跑，这是一个很致命的，因此这儿面有一个非常大的Hot Loop，便是非常高的di/dt。寄生电感越大，di/dt和Hot Loop对这个系统的EMI和噪声的影响就越大。
倘若看SW这个点，即两个MOS管的中间节点，就会发掘SW的节点的振铃是会抖动，这亦会引起传播EMI和辐射EMI。
那怎么处理EMI的问题，由于这个抖动振铃越大，纹波和噪声和EMI的问题就越严重。
倘若在节点的地区并小电容，对系统的性能影响是显而易见的，但这是治标不治本的办法，应该用更好的电路实现低EMI。
ADI做了一个大胆的创新和尝试，在芯片的输入端做了两个Vin，这两个Vin和地形成两个反向的电流环，两个相反的电流环产生磁场闭合，因此大众会看到有两个Vin、两个Cin在电路上对叫作排布。
在芯片的内部，硅片是经过经线邦定到框架上引脚出去的，衬底引脚都是电感，因此倘若把这个芯片和经线邦定改成用倒装的这种方式，Flip-Chip，便是这个引脚直接贴片出来便是引脚，就会改善非常多。
LT8610是传统的封装工艺，LT8614是flip chip的封装工艺，显然EMI改善显著。
这种新的封装工艺和框架结构既处理了效率的问题，亦处理了EMI的问题，纹波亦得到优化。
虽然说Buck和Boost电路有很大都是共性，然则有两个区别的特点。
Buck电路是最大占空比，尤其是做手持设备的，这是比较重要。手持式设备采用电池供电，倘若想把这个电池用到3.3V，最好的方式便是找一个支持100%占空比的芯片。100%占空比寓意着上管常开、下管常闭，这般的好处是即使电池到了3.3V，输出亦能够是3.3V。倘若不凑巧选了一个仅有80%的占空比的芯片，3.3V的20%便是0.66V，那就需要最少3.9V的输入才能够转出3.3V的电压。
Boost电路则是输出隔离。大众看一下Boost电路内部结构：
当芯片不工作（Shut Down）的时候，输入直接就贯穿到Vout。举个例子倘若是2.7V到4.4V转12V，当芯片工作的时候VOUT便是12V没毛病。但当芯片不工作的时候，倘若电池电压是3.5V，3.5V经过L1、体二极管，就直接跑到后面，Vout就有3V到3.5V之间的电压。这个电压可能会让系统的耗电急剧增多，亦有可能让后面需要12V升压的电路处在一个不正常的工作状态，有可能再重新上来就死机了。因此Boost电路升压电路里面支不支持输出隔离是一个非常重要的参数指标。
怎么实现隔离呢？其实便是做了个背靠背的MOS管，去隔断体二极管，咱们叫Output Disconnect。因此TI、ADI的芯片都有这般的设计，叫真正的输出断接，或是关断时输入输出真正断开。
开关电源里面还有有些其他的有些信息跟大众做一个简单快速的分享:
1）为何要运用外置MOSFET开关电源掌控器？
虽然集成度越高越好，MOS管集成在芯片内部简单，外面挂MOS管太麻烦了。然则咱们会看到有的电路还是需要用外置MOS管电路，为何呢？
第1，转换效率的问题。之前提过MOS管的Qg和RDS(on)是开关损耗的重点源自，然则芯片内部集成的MOS管一般性能指标欠好，RDS(on)比很强，会导致很大的开关损耗。因此倘若想要很好的转换效率，必定要选一个非常好的MOS管。但这种好的MOS管是很难被集成到芯片里面去。
第二，封装和热阻。DC-DC和LDO同样亦有热阻的问题，只不外由于DC-DC效率比较高，就忽略了热阻的问题。然则你要晓得普通的芯片内置MOS，效率最高亦就到95%上下，还有5%的功率耗散在这个芯片上。倘若电流太大了，即有很大功率热阻。倘若ADI和TI的官网，针对非外置MOS，即内部集成MOS管的芯片电流亦就40A到头了。再往上做，黔驴技穷了。然则倘若去找controller，便是外置MOS的掌控器，TI在掌控器的外置MOS的电流可高达 700A， ADI在掌控器的外置MOS的亦能够做到400A。因此倘若需要大功率、很好的转换效率、极度地优化系统的性能，外置MOS是跑不掉的。
运用外置MOS管的开关电源掌控器这是个学问。倘若是新手，意见大众先不要这么弄。倘若是新手怎么办呢？选取全集成的，便是把MOS管电感什么都集成，这种ADI叫Micro Module，TI叫MicroSIP。
电源器件的选型，到这儿基本上讲完了。但还有2个意见给到大众：
第1个，必须要学会去各个机构的官网做参数的筛选和检索。
第二个，电源仿真和PCB Layout哪个重要？
说句实话，倘若你对PCB Layout的布局无任何概念，不意见你天天去依赖于电源仿真，由于数字电路和模拟电路是完全区别的，模拟电路用仿真不可处理以下问题：
没法优化电路板的阻抗，由于仿真只是一个连接关系，然则电路里面的阻抗、走线、铜厚、多少个过孔，系统是完全无办法直接去模拟和仿真的。
没法模拟电流环路对系统性能的影响，有时间你当然学电源仿真，没时间那怎么办。最简单的办法，好好地去看规格书。基本上，任何电源芯片的规格书都会给一个布局走线图，例如ADI的LT8641，电感怎么摆，哪个位置打多个孔，所有都给你标出来了。
另一还给有些意见，在做电源的布局走线的时，必定想要办法优化说让电路的走线阻抗越低 越小越好，电流环路越小越好。
原文链接： https://mp.weixin.qq.com/s/Y1ILFn707P6lAcMZ3mB7YQ
文案转载自：达尔闻说
文案源自于：电源芯片大盘点！选型攻略？经典VS新兴哪个好
原文链接：电源芯片大盘点！选型攻略？经典VS新兴哪个好
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发表于 2024-10-10 05:25:28