Cân nhắc định tuyến cho bộ chuyển đổi Buck

Tôi đang tìm cách xây dựng một bộ chuyển đổi buck đầu ra có thể điều chỉnh với các yêu cầu sau:

• Đầu ra 1.25-15V
• Đầu vào 20-24V
• Tối đa 5A hiện tại (có giới hạn)
• Ripple đầu ra tối đa 100mV (tốt hơn nhưng ít quan trọng hơn)
• Diện tích PCB 50x50mm

Sử dụng LM5085 IC: datasheet , tôi tin rằng tôi có một thiết kế sẽ hoạt động. Thiết kế mà tôi đã chọn là sơ đồ "ứng dụng điển hình" trên pg1 của biểu dữ liệu, với việc bổ sung một điện trở cảm giác: Tôi khá tự tin với sự lựa chọn các giá trị cho các thành phần chỉ bằng cách tuân theo các phương trình trong biểu dữ liệu (lưu ý: và C O U T 2 không có giá trị nào được hiển thị vì chúng phù hợp với nhu cầu của bất kỳ dự án nào trong tương lai với các ràng buộc gói tụ điện khác nhau).$C_{OUT1}$$C_{OUT2}$

LƯU Ý : Tôi chưa bao gồm việc tính toán các giá trị thành phần vì đó không phải là phạm vi của câu hỏi, mặc dù các giá trị có thể được nhìn thấy trong sơ đồ. Nếu vì bất kỳ lý do gì họ cần tôi có thể cung cấp một chỉnh sửa với tất cả công việc của tôi.

Câu hỏi đầu tiên của tôi liên quan đến , như trong ví dụ thiết kế trên trang 18-19 của biểu dữ liệu, phần bù so sánh giới hạn hiện tại và dung sai độ chìm của chân ADJ có thể khiến giá trị giới hạn hiện tại thực sự nằm ở một phạm vi khá lớn. Có vấn đề gì không nếu tôi để R a d j 1 dưới dạng mạch mở, gắn tải đầu ra sẽ rút ~ 6A, sau đó điều chỉnh giá trị của trimpot R a d j 2 cho đến khi dòng điện bị giới hạn ở 5A?$R_{adj}$$R_{adj1}$$R_{adj2}$

Phần còn lại của câu hỏi của tôi là về cách bố trí của bảng. Đây là PCB đầu tiên của tôi có tần số cao hơn và dòng điện lớn hơn vì vậy tôi hy vọng sẽ có nhiều thứ để học. Sử dụng ví dụ bố cục trên pg23, hướng dẫn này , cũng như các câu hỏi khác được đăng về định tuyến với tần số cao, dòng điện cao và định tuyến xung quanh cuộn cảm Tôi hiểu điều này:

1. $D_1->L_1->C_{out}->D_1$
2. $C_{in}->R_{sns}->Q_1->L_1->C_{out}->C_{in}$
3. $R_{sns}$
4. Tránh tất cả các dấu vết và đổ chạy dưới cuộn cảm khi có thể để giảm thiểu nhiễu / dòng điện cảm ứng
5. Dấu vết mang dòng cao phải dày và ngắn
6. Giữ dấu vết phản hồi từ cuộn cảm và dấu vết ồn ào khác
7. Tránh sử dụng vias bất cứ nơi nào có thể cho tín hiệu chuyển mạch cao

$V_{out}=max$

Đây không phải là thiết kế gần đây nhất, nó được để lại ở đây để kể chuyện, xem EDIT Hiển thị kích thước của các vòng:

Những mối quan tâm chính của tôi là:

• Là những độ dày dấu vết trong sân bóng phải không?
• Tôi đã giảm thiểu các vòng lặp một cách tốt nhất có thể nhưng nếu đó là một công việc tồi tệ hãy cho tôi biết
• Hai vias theo LM 5085 là cần thiết để kết nối thiết bị đầu cuối J3 với lớp đổ GND trên cùng. Cách duy nhất tôi thấy để tránh điều này là thay vào đó là sử dụng vias trên dấu vết FB (từ CFF đến LM5085) để cho phép dấu vết lớp trên cùng chạy từ J3 đến mặt phẳng lớp trên cùng. Tôi đã không chọn điều đó trong bố cục hiện tại vì yêu cầu phải theo dõi FB cần tránh xa tiếng ồn, Hình 7-c trên hướng dẫn bố cục đã nói ở trên tuy nhiên có sử dụng vias không nên có thể đây là một khả năng? Điều gì nên là ưu tiên của tôi ở đây? kết nối FB trực tiếp trên một lớp hoặc kết nối mặt đất với thiết bị đầu cuối đầu vào mà không vias?
• Tín hiệu cổng cũng chứa 2 vias để cho phép mặt phẳng tiếp cận với các tụ điện đầu vào và diode, giải pháp thay thế sẽ là có một dấu vết lớp trên cùng và sử dụng thông qua để kết nối các tụ điện với lớp GND dưới cùng. Điều gì tồi tệ hơn cho hiệu suất ở đây? kết nối giới hạn đầu vào với GND thông qua / s hoặc có hai vias trên tín hiệu hoạt động ở tần số 420kHz?
• Nếu có bất cứ điều gì khác tôi đã bỏ qua hoặc chỉ có thể cải thiện?

Tôi biết đây là một bài đọc dài vì vậy cảm ơn bạn rất nhiều vì bất kỳ sự giúp đỡ và đề xuất nào, tôi sẽ đăng kết quả khi buck kết thúc và thử nghiệm!

CHỈNH SỬA 1

Sau khi nhìn vào cách bố trí bảng đánh giá được liên kết, tôi đã làm lại bảng, cố gắng chỉ thực hiện các điều chỉnh cần thiết: Sơ đồ nguyên lý đã được cập nhật để thiết lập mới, bây giờ tôi đang sử dụng cấu hình "mức độ gợn giảm".

Thay đổi thành phần:

• $C_{out}$
• Cuộn cảm bây giờ là SMD và kích thước gói nhỏ hơn
• $R_{FB1}$
• $C_{in}$
• Đã thay đổi gói Q1 thành 220 để cho phép tản nhiệt tốt hơn (chia sẻ bởi D1)

Phát biểu @Ali Chen Re: "là những gì mà mục đích của việc thiết kế Đối với 1.25V sẽ có tối ưu hoàn toàn khác so với sản lượng 15V"

Mục đích là để xây dựng một SMPS có thể hoạt động tương tự như nguồn cung cấp để bàn, nhưng có thể được bao quanh trong một dự án lớn hơn. Bạn đúng rằng tập hợp giá trị thành phần tối ưu nhất sẽ khác nhau cho các đầu ra khác nhau nhưng với mục đích của tôi, dự án hoạt động đủ, đạt được hiệu suất tối đa / gợn đầu ra tối thiểu, v.v. không phải là ưu tiên của tôi.

$V_{o(ripp)}, V_{FB(ripp)}, I_{L(ripp)}$$V_{FB(ripp)} > 25mV$) để tìm các giá trị thành phần sẽ hoạt động cho tất cả các đầu ra.

Tôi rất hoan nghênh phản hồi về thiết kế mới này, mối quan tâm mới của tôi là:

• $R_{sns}$
• Thermals vs không thermals? cách bố trí trên bảng đánh giá không sử dụng nhiệt, tôi đã sử dụng chúng cho hầu hết các kết nối. Điều này sẽ ổn nếu như sự kết hợp của tất cả các dấu vết đi vào pad có thể xử lý hiện tại?
• Còn suy nghĩ nào khác không?

CHỈNH SỬA 2

Theo lời khuyên của @winny, tôi đã giảm kích thước bố cục bằng cách gắn D1 và Q1 trở lại. Nó cũng được đề xuất để di chuyển Cin đến gần Q1, vì vậy tôi đã thử điều này. Cin1 là vị trí ban đầu của chất điện phân được điều chỉnh bởi cách bố trí bảng đánh giá . Cin4 là nỗ lực của tôi trong việc di chuyển nó gần hơn, đây có phải là một vị trí tốt hơn cho nó? Hoặc là thiết bị đầu cuối mặt đất của nó bây giờ nằm ​​quá xa các vòng lặp? Cuối cùng, hiệu quả của việc sử dụng điện ở tần số lên tới 420kHz đã được đặt câu hỏi. Bảng này có đầu ra 1,25-15V có nghĩa là tần số của nó thực sự sẽ ở đâu đó trong phạm vi 40-420kHz, vì vậy tôi hy vọng điện sẽ giúp giảm gợn ở đầu ra thấp hơn. (Cũng xem xét điều chỉnh dải tần số thành 20-200kHz)

Câu hỏi của bạn vô cùng mơ hồ, đó có lẽ là lý do tại sao không ai trả lời nó.

Vì vậy, tôi sẽ cho rằng bạn dự định câu hỏi của bạn sẽ ít nhiều là hai câu hỏi cụ thể sau:

1. Nó có hoạt động không?

Không, nó sẽ không hoạt động, vì những lý do không liên quan đến bố cục của bạn.

Bạn đã rơi vào cái bẫy phổ biến dễ hiểu là nhầm lẫn 'có thể điều chỉnh' thành 'thay đổi / biến đổi'. Một bộ điều chỉnh đầu ra có thể điều chỉnh có nghĩa là thay vì điện áp đầu ra cố định, bạn có thể điều chỉnh điện áp đầu ra cố định mà nó sẽ điều chỉnh. Không có hàm ý rằng nó sẽ hoạt động tốt, hoặc thậm chí, trong một ứng dụng điện áp đầu ra khác nhau . Thay đổi, tất nhiên, có nghĩa là điện áp đầu ra quy định sẽ thay đổi trong quá trình hoạt động. Tất cả các phương tiện điều chỉnh là bạn có thể điều chỉnh một đầu ra cố định. Nó vẫn được cố định trong quá trình hoạt động. Đó là lý do tại sao tất cả các ví dụ trong biểu dữ liệu, cũng như bảng eval, có đầu ra cố định.

Bây giờ, thuật ngữ 'điều chỉnh' cũng không có nghĩa là nó không thể được sử dụng trong một ứng dụng đầu ra khác nhau. Nhưng điều quan trọng là phải hiểu rằng nếu một bộ phận có thể điều chỉnh, không có lý do gì để nghĩ rằng bạn có thể thay đổi đầu ra trong khi hoạt động, hoặc bộ phận đó có nghĩa là hoặc được thiết kế để làm như vậy. Bạn phải xác định rằng trên cơ sở từng phần.

Bạn đã chọn một bộ điều khiển kích động không đổi thời gian (COT) không đổi, đây là một lựa chọn tốt cho đầu ra khác nhau, nhưng phần này không được thiết kế phù hợp với nó. Bộ điều khiển COT cực kỳ nhạy cảm với tiếng ồn trong đường dẫn phản hồi của chúng. Thông thường, một COT được thiết kế cho đầu ra thay đổi sẽ có một chốt điều khiển chuyên dụng sẽ không trực tiếp trong đường dẫn phản hồi, giảm thiểu rất nhiều độ nhạy này (phương tiện cụ thể phụ thuộc vào bộ phận). Không có pin như vậy trên LM5085.

Điều này quan trọng bởi vì bộ điều khiển COT sẽ gần như chắc chắn KHÔNG chịu được một cái gạt nước carbon ồn ào theo nghĩa đen, bằng cơ học, cùng với nhiều carbon hơn với bất kỳ mảnh vụn ngón tay và lá mèo nào (hoặc bất cứ thứ gì) hoạt động trên bề mặt gạt nước nói trên. Một bộ điều khiển kích động, ở trung tâm của nó, là một bộ tạo dao động so sánh, làm cho nó có mức tăng cực cao và bị ảnh hưởng bởi nhiễu thậm chí sẽ không đăng ký trong một bộ khuếch đại lỗi chế độ hiện tại phổ biến hơn. Nó thậm chí có thể không chịu được một chiết áp chỉ ngồi ở đó, mà không được điều chỉnh trong quá trình hoạt động. Nếu bạn đặt nó đủ xa để nó không kết hợp một cách điện dung hoặc hấp thụ (như trong ăng-ten) với nút chuyển đổi của bạn, thì dù sao dấu vết của bạn cũng quá dài và hoạt động như ăng-ten thu EMI tự tuyệt vời.

Nếu bạn muốn thay đổi đầu ra của bộ điều khiển này, bạn phải làm như vậy mà không gây ồn ào cho các công cụ cơ điện (không cho phép các bộ phận chuyển động!) Hoặc thay đổi điện trở thực tế của đường dẫn phản hồi. Bạn sẽ cần phải sử dụng phương thức tiêm hiện tại, có thể với một đầu ra hiện tại. Vâng, đó là một trật tự cao. Không, không có cách nào xung quanh nó. Đó là hoặc chọn một bộ điều khiển PWM chế độ hiện tại truyền thống hơn.

Điều đáng nói là dòng điện tiêm không đặc trưng cho COT, nhưng có thể được sử dụng như một phương pháp rất hiệu quả, đáng tin cậy và ít nhiễu để thay đổi điện áp đầu ra của bộ điều khiển BẤT K ,, bởi tuyến tính, PWM, kích động, v.v ... Nó khá phổ biến.

Và, đây thực sự là một sự may mắn ngu ngốc, thực sự có một bài đăng trên blog TI thể hiện việc thực hiện chính xác những gì tôi đã mô tả với phần chính xác của bạn! Yay!

Câu hỏi thứ hai:

2. Những hướng dẫn bạn nên làm theo khi đặt ra một công cụ chuyển đổi buck?

Vì vậy, bạn chủ yếu lo lắng về những điều sai trái, hoặc lo lắng rất nhiều về những điều không quan trọng lắm, và lo lắng rất ít về những điều cần làm.

Đầu tiên, một số lưu ý nhanh:

1. 5A không thực sự cao và dòng điện đầu ra của bạn không thực sự chỉ ra nhiều về dòng điện sẽ xảy ra trong mạch. Trong một bộ chuyển đổi buck, thường sẽ có nhiều lần dòng đầu ra xảy ra ở một số khu vực nhất định.

2. Không có gì trên bảng của bạn là tần số cao / tần số cao hơn. Tần số cao, trong bối cảnh bố trí, bắt đầu trong hàng trăm megahertz trở lên. Không có gì được đo bằng kilohertz chỉ trong hai bậc cường độ cao.

3. Tôi nghĩ rằng bạn đang nhầm lẫn giữa chuông dV / dT gây ra và tần số chuyển đổi của bạn. Khi các ghi chú ứng dụng bố trí khác nhau cho bộ chuyển đổi nói về tần số cao, điều này không liên quan gì đến tần số chuyển đổi của bạn. Thật vậy, bộ chuyển đổi tương tự ở 400KHz sẽ đổ chuông ở cùng tần số như ở tần số 40KHz.

EMI / tiếng ồn tần số cao đang được nói đến phụ thuộc vào thời gian tăng, dV / dT, của các công tắc của bạn (MOSFET và diode, trong trường hợp của bạn), và các điện cảm và điện dung ký sinh liên quan đến nút chuyển đổi của bạn. Hãy nhớ rằng, bạn có điện dung ký sinh từ mọi thứ đến mọi thứ (nếu có một chất điện môi / chất cách điện ở giữa), và bất cứ thứ gì dẫn điện cũng là một cuộn cảm. Bạn nhận được gì nếu bạn có một tụ điện hoặc cuộn cảm nối tiếp, hoặc song song, hoặc chỉ nhìn nhau buồn cười? Đúng, bạn nhận được một bể cộng hưởng LC. Thông thường, điện dung ký sinh quá nhỏ không thành vấn đề, nhưng điện dung đầu vào của MOSFET của bạn, cũng như các tụ điện đầu vào đổ hàng chục ampe thẳng qua MOSFET vào nút chuyển đổi của bạn kết nối với một dây dẫn của cuộn cảm ... chúng chắc chắn là có vấn đề Và họ'

Hầu hết thời gian, họ không được chú ý bởi vì phải mất một cuộc tấn công cực kỳ nhanh để rung chuông như vậy. Thật không may, MOSFET của chúng tôi khá lý tưởng để nhấn chuông này và dỗ nó vang lên. Thời gian tăng càng nhanh, vòng càng to và tần số càng cao. Bạn có thể bật nó 40.000 lần mỗi giây, hoặc 400.000 lần mỗi giây, nhưng nó bật nhanh và mạnh mỗi lần cho dù bạn có bật công tắc bao nhiêu lần mỗi giây. Đây là những gì tôi có nghĩa là tần số chuyển đổi của bạn không liên quan.

Trong một công cụ chuyển đổi buck, mối quan tâm chính của bạn là đầu vào , không phải đầu ra. Trên hết, bạn muốn đặt các tụ điện đầu vào của bạn càng gần công tắc phía cao và phía thấp càng tốt. Đây là nút chuyển đổi của bạn. Cái nào reo. Và gần nhất có thể có nghĩa là càng gần càng tốt. 1 nanohenry sẽ tạo ra một sự khác biệt có ý nghĩa. Có, 1 nanohenry. Mỗi milimet vấn đề.

Bạn cũng muốn căn cứ của các tụ điện đầu ra của bạn càng gần càng tốt để bạn có thể quản lý các căn cứ của các tụ điện đầu vào của bạn. Nhưng đây chỉ là thứ yếu và một cái gì đó để tối ưu hóa mà không bao giờ phải trả giá bằng sự gần gũi của tụ điện đầu vào với các công tắc của bạn. Bộ chuyển đổi Buck hoạt động bằng cách hút dòng điện cực lớn nhưng ngắn ở đầu vào trước đoạn dốc dòng điện cảm ứng chậm hơn tạo nên một chu kỳ của dòng điện gợn sóng của chúng ta.

Vì vậy, tất nhiên những bộ phận TO-220 cần phải đi. Đó là chì và bondwire có thể thêm 5 nanohenries một mình! Bạn cần một gói gắn bề mặt đẹp với độ tự cảm / nguồn được đo bằng hàng trăm picohenries. Không phải một số TO-220 cồng kềnh cũng có thể là một tòa nhà chọc trời với độ cao và xa của nó đứng trên những đầu dẫn đó. Milimet lãng phí.

Oh, và các tụ điện duy nhất quan trọng là gốm sứ của bạn. Máy điện phân có quá nhiều ESL, chúng hoàn toàn có điện trở ở 100KHz hoặc 150KHz nếu bạn sử dụng các loại tần số cao và chỉ có thể lọc dòng điện gợn ngay cả khi tần số đủ thấp. Hãy nhớ rằng MOSFET bật nhanh và cứng như thế nào? Điện phân hoàn toàn không thể đổ điện tích ở mức tăng nano giây so với nhu cầu chuyển đổi. Độ tự cảm của chúng ngăn chặn nó, vì vậy trong khi chúng thậm chí chưa giải phóng cặp điện tích đầu tiên ra khỏi các tấm của chúng, thì công tắc đó đã làm giảm điện áp của bạn (không có bộ đệm điện dung có thể phản ứng) và Ripple chuyển đổi của bạn đã bắn tất cả chúng trở lại bất cứ thứ gì đang cung cấp năng lượng bộ chuyển đổi DC / DC của bạn. Ở tần số thấp, sẽ có những sóng hài tần số cao này sẽ truyền thẳng qua quá trình điện phân không bị giảm hiệu quả.

Điện phân là để làm giảm tần số thấp và cung cấp một sự tách rời số lượng lớn, nhưng chúng vô dụng ở bất cứ đâu gần vòng chuyển mạch chính của bạn, và ngay cả ở tần số thấp hơn, vẫn nên có tụ điện phía trước, gần nút chuyển mạch nhất của bạn.

Gốm sứ là thứ duy nhất có điện dung, liên quan đến tiếng ồn mà bạn cần phải lo lắng (ít nhất là từ một công tắc).

Bây giờ, không có điều nào trong số này nhất thiết sẽ ngăn chặn mạch của bạn hoạt động. Và đây không phải là một hướng dẫn đầy đủ hoặc chi tiết, nhưng một lần nữa, tôi đang trả lời một câu hỏi mơ hồ và vì vậy chỉ có thể đưa ra câu trả lời mơ hồ. Hy vọng rằng điều đó cung cấp cho bạn một bức tranh tốt hơn về những gì đang diễn ra ít nhất, và nên phục vụ như một điểm khởi đầu tốt để tiếp tục học tập.

Tôi có thể chỉnh sửa câu hỏi này sau và thêm một danh sách đầy đủ hơn, nhưng tôi cần đi ngủ ngay bây giờ. Lấy làm tiếc!