【實戰(zhàn)】一個Buck電路設計的完整過程

設計需求：

硬十開發(fā)的一塊基于安路EG4X20BG256的FPGA板卡。該系統(tǒng)應用于一個USB傳輸，可以進行多通道ADC數(shù)據(jù)采集的項目。

整體框圖如下：

實物如下：

1、Buck控制器選型

電源框圖制作過程，可以參考前期文檔：

硬件總體設計之 “專題分析”

我們可以看到在電源樹中，分別需要實現(xiàn)：

5V→3.3V@2A

5V→1.2V@2A

5V→2.5V@2A

此處我們選型的Buck電源控制器（集成Mosfet）是杰華特的JW5359

從Datasheet我們可以看到：

1、輸入電壓范圍滿足要求4.5V~18V

2、輸出電流可以達到2A，滿足要求。

3、效率達到95%

4、支持輕載模式FCCM、PFM

5、開關(guān)頻率600kHz

如下圖 所示為本模塊的電路原理圖，具體內(nèi)容可以簡化為輸入部分、控制部分、輸出部分以及反饋部分。輸入部分:電容C1電阻R1、R2;控制部分:JW5359M芯片以及自舉電路C2;輸出部分:電感L、電容C3、C4;反饋部分:電阻R3、R4以及電容C5。

電源模塊原理圖

本模塊需要實現(xiàn)一個DC-DC的電源轉(zhuǎn)換功能，其輸入為5V，輸出為3.3V/2A。選擇JW5359M這款芯片，JW5359M的輸入范圍為4.5V-18V之間，輸出電壓范圍為0.765V-VIN*Dmax,最大輸出電流2A。JW5359M的特點有: 基于I2架構(gòu)的單片降壓開關(guān)穩(wěn)壓器、開關(guān)頻率為600KHZ、內(nèi)部軟啟動、效率高達95%以及熱保護等。如圖1.2所示為其引腳圖。

GND:接地端

SW:開關(guān)輸出引腳

VIN:電源輸入端，并接一個電容來儲能和去耦

FB:反饋端

EN:使能引腳端

BST:自舉電容的引腳端，在SW和BST引腳之間接一個0.1uF的電容以形成浮動電壓來驅(qū)動JW5359M內(nèi)上端的開關(guān)管。BST電容失效，芯片會過熱或者不能工作。

選擇此顆芯片的主要原因：

a、能供得上貨

b、已經(jīng)完成批量發(fā)貨，經(jīng)過市場檢驗

c、價格有優(yōu)勢

d、國產(chǎn)芯片

e、溫度范圍ok

2 電容選型

2.1輸入電容選型

輸入電容的主要目的是儲能和濾波，以防止輸出需要大電流的時候，外部供電模塊來不及供電，從而導致輸出電壓跌落的現(xiàn)象。

根據(jù)JW5359M的數(shù)據(jù)手冊可知輸入電容的計算公式1:

公式1:

Buck電路開關(guān)電源的輸入電容應該選多大？

ILOAD為輸出電流2A，fs為開關(guān)頻率600KHZ，C1為輸入電容，Vout為輸出電壓3.3V，VIN為輸入電壓5V，△VIN為輸入紋波電壓。本模塊JW5359M數(shù)據(jù)手冊中推薦的22uF的貼片陶瓷電容，可計算出△VIN為34mV。在選擇輸入電容的時候首先要保證電容的耐壓值為供電模塊的1.5倍。這里選擇一個22uF/10V的X5R或X7R貼片陶瓷電容。輸入電容器可以是電解的、鉭或陶瓷的。為了減少潛在噪聲，在使用電解電容器時，應盡可能放置一個小型X5R或X7R陶瓷電容器，例如0.1uF/10V的貼片陶瓷電容來濾除輸入直流電壓中的高頻信號。

電容上本身的ESL并不大，但是經(jīng)常會有因為輸入電容較遠或者地線較遠引入較大的ESL在輸入端引起較大的尖峰，導致芯片供電異常或者芯片MOSFET過壓擊穿。

2.2輸出電容選型

關(guān)于Buck電源的輸出電容的容值如何計算？

輸出濾波電容值可通過計算得到，但是一般在選擇電容值的時候通常會選擇1.2-2倍計算出的電容值或選擇更大的電容量，在PCB面積允許的條件下最好多個電容并聯(lián)。由于輸出濾波電容和輸出電感會形成兩個極點，這會導致電路輸出不正常，具體表現(xiàn)為輸出紋波較大、輸出上升沿有強烈的振蕩等。所以在選擇電容值的時候也要適當考慮電感值。由JW5359M數(shù)據(jù)手冊可知輸出電容和公式2相關(guān)：

公式2:

L為輸出濾波電感，RESR為輸出電容器的等效串聯(lián)電阻值，COUT為輸出電容值。故根據(jù)輸出紋波的要求可大致得到輸出電容的大小，在選擇電容的時候一般都會選擇電容值更大點的電容。對于開關(guān)電源模塊，電源自身會產(chǎn)生和開關(guān)頻率一致的電源紋波，始終疊加在電源上輸出。輸出紋波也會由輸出電容的內(nèi)阻所引起，不斷的給輸出電容充放電，充電電流在輸出電容的內(nèi)阻RESR兩端就會有壓降，這個就會產(chǎn)生輸出紋波，所以在選擇輸出電容的時候盡量選擇RESR較小的貼片陶瓷電容而不是電解電容，選擇幾個電容并聯(lián)也是為了降低輸出內(nèi)阻。控制回路的響應較快（COT），開關(guān)頻率較高，或者負載變化不大的場合用瓷片電容即可。本模塊選擇兩個22uF/6.3V的貼片陶瓷電容并聯(lián)，可以減小RESR。△Vout計算約11mV。

3電感選型

【開關(guān)電源系列】Buck電路選擇輸出電感

輸出電感的主要作用是用來穩(wěn)定輸出電流以及儲能，輸出電感和輸出電容組成的LC濾波電路主要用來平滑輸出電壓，使輸出電壓是一個穩(wěn)定的直流。在選擇輸出電感的時候，除了要考慮電感值的大小外更要考慮電感所能抑制的電流值。對于BUCK開關(guān)變換器的輸出電感的電流額定值最少是1.2倍的輸出電流。電感電流額定值最少為超過負載電流的30%。對于大多數(shù)的設計，電感值可由公式3得到:

公式3:

△IL為電感的斜坡電流，其大小一般為電感電流最大值的30%。根據(jù)手冊選擇電感為3.3uH 。我們用的是NR5040-3.3UH，其額定電流可達3.4A。

4、電阻選型

反饋部分電阻的選擇，JW5359M通過外接反饋電阻形成一個閉環(huán)的電路，從而使輸出穩(wěn)定在3.3V。通過R3和R4的分壓得到反饋電壓，F(xiàn)B感知輸出電壓，并由控制回路調(diào)節(jié)到0.765V。在FB處連接一個電阻式分頻器。數(shù)據(jù)手冊中推薦R4的大小在16KΩ左右，本模塊選擇16KΩ。故R3可由公式4得:

公式4：

由于Vout=3.3V，選擇R3=53KΩ。通?？紤]到未來相位裕量和響應速度的調(diào)整，可以根據(jù)規(guī)格書的推薦預留前饋電容C5的位置。

使能電阻R1、R2的選擇。EN引腳用來控制芯片是否工作，當VIN降至預設值時，EN降至1.05V以下以觸發(fā)輸入欠壓鎖定保護。根據(jù)手冊推薦R1和R2選擇100KΩ。

5、最終原理圖：

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• 6、 Layout設計

（1） VCC電容應就近放置在芯片的VCC管腳和芯片的信號地之間，盡量在一層，沒有過孔對于信號地（AGND）和功率地PGND在一個管腳的芯片，同樣就近和該管腳連接以減少寄生電感的存在，因為輸入電流不連續(xù)，寄生電感引起的噪聲對芯片的耐壓以及邏輯單元造成不良影響。高頻環(huán)路的環(huán)路越小，磁場能量越小。如圖2.1

（2） FB是芯片最敏感，最容易受干擾的部分，是引起系統(tǒng)不穩(wěn)定的最常見原因

1. FB電阻連接到FB管腳盡可能短，減少噪聲的耦合

2. 遠離噪聲源，SW點（開關(guān)節(jié)點），電感，二極管（非同步buck）

3. FB的下分壓電阻通常接信號地AGND

   
   

   

（3） 同步BUCK的方式，續(xù)流路徑要經(jīng)過芯片的GND管腳，輸入電容要接在芯片的GND和Vin之間，路徑盡可能的短粗。

（4） 放置電感不需要和放置輸入電容一樣距離IC那么近，以最小化開關(guān)節(jié)點的輻射噪聲。一般不建議電感下面鋪銅，接地層出現(xiàn)的渦流會導致電感的感量變小。電感下不同的PCB設計如圖2.1

（5） 輸出濾波電容盡可能的靠近電感。高頻環(huán)路的環(huán)路越小，磁場能量越小。圖2.2

（6） SW點是噪聲源，保證電流的同時保持盡量小的面積，遠離敏感的易受干擾的位置。減小節(jié)點面積和更換體積更小的電感，可以減弱電場場強，如圖

7、測試

電源紋波測試

輸入電壓測試

本次測試使用的設備有：電腦USB接口、鼎陽牌SDS1102X-C數(shù)字示波器以及萬用表。

圖為SDS1102X-C數(shù)字示波器,圖3.12為FPAG開發(fā)板。

SDS1102X-C數(shù)字示波器

電路板上電

如圖所示為5V輸入電壓的測試波形，從示波器上可以看出，輸出電壓為5V直流電壓。

輸入電壓測試圖

下圖為輸入電壓的紋波測試圖，是通過把示波器的耦合方式選擇交流耦合測試出來的。從示波器上可以讀出，輸入電壓紋波的峰峰值為43.2mV。

輸入紋波測試圖

下圖所示為輸出電壓上電的測試圖，從示波器上可以看出，輸出電壓最大值是3.40V，輸出電壓上升沿平緩，沒有振鈴和電壓過沖等現(xiàn)象。

輸出電壓上電測試圖

下圖為輸出電壓的紋波，從示波器中可以看出，紋波的峰峰值為44mV

輸出紋波測試圖