開關(guān)電源模塊總結(jié)

前一段時間做了一次開關(guān)電源的模塊MP38892，沒有想那么多，結(jié)果一不小心造成了連燒7個片子，經(jīng)過一番查找，以及以后的幾次試驗，終于找到了部分原因，不過最近也比較忙，拖到現(xiàn)在才有空總結(jié)一下對開關(guān)電源的認(rèn)識。

所謂開關(guān)電源我個人認(rèn)為就類似于PWM調(diào)壓，通過控制高壓側(cè)和低壓側(cè)MOSFET的導(dǎo)通頻率以及占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓，再通過RLC穩(wěn)壓濾波即可得到所需的電壓，故可以是降壓型也可以是升壓型，但是需注意開關(guān)電壓的振鈴；而線性穩(wěn)壓器的工作原理就是輸出恒定電壓，將剩余的輸入輸出電壓差與輸出電流的乘積都變成熱損耗。

最近又做了兩款開關(guān)電源MP38892和LM3150，他們的要求分別是5V3A輸出和5V10A輸出，都是20V輸入，當(dāng)然輸入電壓和輸出電壓都是可調(diào)的。由于問題多集中在MP38892上，故以MP38892來進行總結(jié)。

說這個之前應(yīng)該先要理解一個知識--振鈴。如下圖（功率部分器件的定義）是一個典型同步buck 變換器的原理圖。隨著功率器件性能的提升，控制管能夠以大于10kv/us 的速度進行電壓切換。然而，開關(guān)速度越快，開關(guān)噪聲則越大。特別是當(dāng)控制管打開而同步管關(guān)閉時，環(huán)路電感，環(huán)路電阻以及同步管的輸出電容組成一個RLC 回路，并會在諧振頻率下震蕩。震蕩會導(dǎo)致電壓的過沖以及在開關(guān)節(jié)點上的振鈴。

功率部分器件的定義

為了更好的理解振鈴的原理，將對開關(guān)瞬態(tài)過程做一個詳細的分析。假設(shè)控制管關(guān)閉， 同步管打開，所有的電壓已經(jīng)穩(wěn)定，電感電流IL 開始降低（以特定的斜率），見下圖（開關(guān)節(jié)點的波形）的階段1。階段2，同步管開始關(guān)閉，控制管打開前會有一段死區(qū)時間來防止直通。在這段死區(qū)時間內(nèi)，電感電流會從同步管的體二極管中流過，導(dǎo)致開關(guān)節(jié)點的電壓有一個小的下降。階段3 以控制管的打開開始，隨著控制管上流過電流的增加，導(dǎo)致同步管體二極管逐漸關(guān)斷。體二極管的反向電流以及同步管電容電壓的充電會造成流過控制管電流的過沖。

而這個電流過沖則會被同步管的輸出電容所吸收，導(dǎo)致開關(guān)節(jié)點上電壓的過沖。同步管的電容，寄生電感（封裝電感，較差的布局，等等）組成了諧振網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致了開關(guān)管上的振鈴（見階段3）。

1. 由于振鈴會在開關(guān)節(jié)點上疊加，所以有兩方面要去考慮：

a. 電壓裕度

2. 振鈴第一次尖峰電壓的幅值與MOSFET 擊穿電壓的比例

b. 電磁干擾/電磁兼容

因為振鈴產(chǎn)生的傳導(dǎo)和輻射噪聲

開關(guān)節(jié)點的波形

    電磁干擾/電磁兼容問題比較主觀且非常依賴于整體系統(tǒng)的設(shè)計。故不在此敘述，主要側(cè)重于電壓裕度的分析。

根據(jù)MP38892的DataSheets中關(guān)于PCB布線及布局圖有以下的提示說明（PCB Layout Guide）：

PCB layout is very important to achieve stable operation. Please follow these guidelines and take Figure3 for references.

1) Keep the path of switching current short and minimize the loop area formed by Input cap, high-side and low-side MOSFETs.

2) Keep the connection of low-side MOSFET between SW pin and input power ground as short and wide as possible.

3) Ensure all feedback connections are short and direct. Place the feedback resistors and compensation components as close to the chip as possible.

4) Route SW away from sensitive analog areas such as FB.

5) Connect IN, SW, and especially GND respectively to a large copper area to cool the chip to improve thermal performance and long-term reliability.

我英語不好，所以使用大谷歌的翻譯以及自己的理解給出一下的中文翻譯：

1）保證開關(guān)電流的路徑短，并最大限度地減少輸入電容和MOSFET的高側(cè)跟MOSFET低側(cè)所形成的環(huán)路面積。

2）保持低邊MOSFET的 SW引腳和輸入電源地短而寬越好之間的連接。

3）確保所有的反饋連線短而直。盡可能將反饋電阻和補償元件靠近芯片。

4）敏感的模擬路線應(yīng)遠離SW區(qū)域，如FB。

5）IN、SW、GND應(yīng)大面積敷銅，特別是GND,便于芯片的散熱，以提高散熱性能和長期可靠性。

如下圖是手冊上給的布局圖，這個圖上要注意的也有以下幾個點‘當(dāng)然這些知識我個人的一點總結(jié)，歡迎來指正錯誤。

1. 如圖中所標(biāo)的1區(qū)域是SW的敷銅區(qū)，這個面積比較大而寬，但也不是盡量的的寬，如右側(cè)的電感的那段只是靠近的一點相連，還有就是該信號與地及輸入等其他信號線之間的間距要相對比較大，以防止電磁干擾；

2. 如圖中2的位置是頂層地與地層地的連接過孔，該處主要體現(xiàn)了模擬信號中的大電流地與小電流地的單點相連，即單點接地，這樣的好處是不會形成地環(huán)路，減小電磁干擾；

3. 如圖中3所示，結(jié)合背面的布線可以看到該信號是輸電電壓的反饋信號線，該信號線應(yīng)靠近濾波電容的位置，這樣減小反饋電壓的紋波。

4. 如圖中4所示芯片的熱焊盤以及頂部有大面積的敷銅以及過孔，這樣方便芯片的散熱和空氣流通；

5. 圖中5該引腳是MOSFET的門控制信號，他走底層，遠離了大電流區(qū)域，以防止被干擾；

6. 圖中6區(qū)域是大電流區(qū)域，該區(qū)域是輸入地和MOSFET的低側(cè)，該區(qū)域應(yīng)將盡可能的短而寬，來降低紋波。

    

如下圖1所示為V1-0版本的PCB電路:

圖1

 

下圖2以及圖3是在V1-0版本中測試的過沖電壓的峰峰值為35.2V，靜態(tài)電流為54mA,這一版本中有以下問題需要調(diào)整布局改正。

1電感輸出距離地較遠；

2大電流地與小電流地沒有隔離，沒有采用單點接地。

3靜態(tài)電流太大。

圖2

圖3

如下圖4是V1-1版本的電路圖，該版本調(diào)整了電感的輸出方向，采用了單點接地的方式，如圖4所示中圖中標(biāo)記為1的地方是單間接地的孔，圖片中2和3的位置在背面是沒有跟地層的敷銅相連接。如圖5和圖6所示的是本次過沖電壓的峰峰值為35.9V，靜態(tài)電流為44mA,這個靜態(tài)電流仍然很大，猜想所選用的MOSFET型號為AOD4184A的片子有問題，更改為新買的同型號的MOSFET，如圖7和8所示為更改后的過沖電壓的峰峰值為32V，靜態(tài)電流為37mA,本版本猜想有以下問題：

1 如如圖中4是MOSFET的GND跟圖中5的位置輸入GND的距離太遠，才引起過充電壓的峰峰值過大，所以要調(diào)整；

2 靜態(tài)電流過大的有可能是有MOSFET引起的，所以想修改為irf7821，只不過它的最高電壓為30V。

圖4 

圖5

圖6

圖7

圖8

如下圖9版本中是將MOSFET更換為IRF7821，如圖10和11是它的過沖電壓的峰峰值為27.9V，靜態(tài)電流為30mA,靜態(tài)電流又小了一點，說明猜想2還是對的。

圖9

圖10

圖11

 

如下圖是將是將MOSFET更換為IRF7821，并且將其源極接地更靠近輸入地，如圖12所示，圖13是它的過沖電壓的峰峰值為29.9V，靜態(tài)電流為30mA,相比而言這時候更該接地的位置沒有明顯的改變。

圖12

圖13

雖然該型號的MOS管的峰值電壓降低了，但是該型號的MOS管的額定電壓在30V，故該MOS管已被擊穿，不適合。

 

其實對于本電路中的MOS管的要求很高，而且同等型號的管子質(zhì)量也參差不齊，所以在資金不敏感的時候建議去正規(guī)渠道購買。當(dāng)然能在某寶上買到質(zhì)量好的也是要看運氣的。如下圖14、15是在武漢力源買的AOD4184的效果：

圖14

圖15

圖16

 

相比較而言還是第二次在淘寶智翔科技買的MOS管好用一點，所以有的時候沒有達到理想的數(shù)據(jù)，跟買的片子的質(zhì)量也有關(guān)系。

接著產(chǎn)品要求改成輸出工作電流要在8A，就做了LM3150的模塊，之前先買了LM3150的開發(fā)板，如下圖為開發(fā)板的的電源測試：

圖17

圖18

圖19

 

圖20

下面是我做的LM3150的開關(guān)電源板，該板是四層1mm厚的30*50mm的板子，正常工作電流是8A，允許在10A工作，該電路為了跟之前在淘寶上購買的一款模塊大小和輸入輸出兼容，所以有些地方還是有一定的不合理處。

圖21

以下是該模塊的測試數(shù)據(jù)，這是在輸出在5A的時候的參數(shù)，該電路的高壓側(cè)和低壓側(cè)的MOS管都是采用AON6236的片子。

圖22

圖23

圖24

 

而且又買了三種MOS管又有如下共計4中測試測試：

1) 在低壓側(cè)采用Infineon的BSC050N03MSG，而高壓側(cè)采用Infineon的BSC080N03LS，輸出電流8A：

2) 在低壓側(cè)采用AON6236，而高壓側(cè)采用Infineon的BSC080N03LS，輸出電流8A：

3) 采用在低壓側(cè)采用Infineon的BSC050N03MSG，而高壓側(cè)采用AON6236，輸出電流8A：

4) 采用在低壓側(cè)采用AON6236，而高壓側(cè)采用AON6236，輸出電流8A：

雖然測試的振鈴的峰峰值電壓大約都在28V左右，但是Infineon的BSC050N03MSG和BSC080N03LS的漏源級電壓為Vds=30V，峰值電壓28V高于其Vds的80%（24V），只而AON6236的源級電壓為Vds=40V,故只能選用AON6236。

對于MOS管中內(nèi)阻越大輸出結(jié)電容Coss就越小，則開關(guān)頻率越高，反之則低，故內(nèi)阻越大的大的適合做高壓側(cè)，內(nèi)阻低的適合做低壓側(cè)。