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基于7.4伏锂电池的多路输出电源模块设计
一、必要前提在正式进入原理图设计之前需要先具备以下三方面的基础知识以便更好地理解后续的电路参数计算与器件选型逻辑有一定的电路设计基础了解电阻、电容、电感的基本特性及其在电源电路中的作用。了解BUCK、BOOST和LDO电路的基本工作原理熟悉降压、升压与线性稳压的适用场景。熟悉BUCK和BOOST电路的电感值计算公式能够根据输入输出电压、开关频率和纹波要求完成电感选型。熟悉BUCK和BOOST输入和输出滤波电容的计算方法能够根据输入输出电压纹波、开关频率和负载电流等参数完成输入输出滤波电容的选型与取值。二、原理图设计1. BOOST电路设计本设计升压电路选用MT3608升压芯片该芯片为峰值电流模式异步Boost变换器固定开关频率1.2MHz采用SOT-23-6小型封装输入电压范围2~24V最高输出28V。芯片内置软启动、过流、过热保护轻载时自动切换PFM模式提升转换效率峰值效率可达93%。输出电压由反馈分压电阻设定反馈基准电压0.6V。该芯片无需外部环路补偿电路外围器件简洁适合本系统7.4V锂电池升压至12V的供电需求。本设计将7.4V输入转化为12V/1A的输出开关频率1.2MHz电感纹波率取0.2允许输入输出电压纹波为2%。经BOOST电路电感值公式计算电感取值6.8uH。经BOOST输入电容公式计算实际选用1×10uF陶瓷电容和1×100nF陶瓷电容组合。经BOOST输出电容公式计算实际选用1×100uF铝电解电容、1×10uF陶瓷电容和1×100nF陶瓷电容组合以满足输出纹波要求并保证环路稳定性。由于MT3608的反馈电压为0.6V分压电阻上臂取值287K下臂取值15K可得到12V输出电压。2. BUCK电路设计TPS5430是TI公司生产的宽输入范围降压型DC-DC转换芯片芯片内部集成功率MOS开关管采用固定500kHz电压模式PWM控制输入电压范围5.5V~36V最大连续输出电流可达3A。该芯片内置环路补偿网络外围电路简洁具备过流、过压与热关断保护功能。本设计利用TPS5430将两节18650串联锂电池组标称7.4V电压范围6.0V~8.4V降压稳定输出5V作为后级LDOSPX29302的输入电源。本设计将7.4V输入转化为5V/2A的输出开关频率500kHz电感纹波率取0.2允许输入输出电压纹波为2%。经BUCK电路电感值公式计算电感取值10uH。经BUCK输入电容公式计算实际选用1×47uF铝电解电容、1×22uF陶瓷电容和1×100nF陶瓷电容组合。经BUCK输出电容公式计算实际选用1×100uF铝电解电容、1×22uF陶瓷电容和1×100nF陶瓷电容组合以满足输出纹波要求并保证环路稳定性。由于TPS5430的反馈电压为1.221V分压电阻上臂取值10K下臂取值3.24K可得到5V输出电压。3. LDO电路设计本设计3.3V供电采用SPX29302低压差线性稳压器该器件为可调输出型LDO最大输出电流3A输出电压调节范围1.25V~16V基准电压1.24V初始精度可达1%。芯片内置过流、过热与电源反接保护配置独立使能引脚可实现电源开关控制。SPX29302具有优异的瞬态响应特性输出纹波小适合为单片机、传感器等对电源噪声敏感的负载供电。该LDO输入由5V BUCK电路提供满足系统3.3V支路供电需求设计时需保证输出端不低于5mA最小负载并做好PCB散热铺铜。LDO没有开关脉冲因此不存在纹波电流分配的计算其电容主要服务于环路稳定性。通过查阅SPX29302芯片手册得知输出电容要求≥10uF。因此输入和输出电容均使用1×10uF陶瓷电容和1×100nF陶瓷电容组合。由于SPX29302的反馈电压为1.240V分压电阻上臂取值20K下臂取值12K可得到3.3V输出电压。三、PCB设计由于本设计是低速低压设计PCB设计没有太多的严格限制但仍需注意以下几点1. 非屏蔽型电感下方挖空但只挖一层不是所有层都挖空避免成为天线维持地的完整性。屏蔽型电感不必挖空。2. 走线和布局抓主回路主回路环路尽量小开关节点和主功率铺铜反馈信号远离电感尽量不要分割地。原理图3D图2D图四、实测经实测各输出支路的电压结果如下12V输出实际输出11.923V误差-0.64%可接受。5V输出实际输出5.004V误差0.008%可接受。3.3V输出实际输出3.291V误差-0.27%可接受。误差分析1. 反馈电阻阻值偏差。2. 芯片基准电压偏差。3. PCB走线问题。
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