我们具体看手册介绍:
该芯片输入电压范围为0.5V~5.5V,适合低电压输入,特别是锂电池和干电池作为供电电源使用;输出电压设置范围为2.2V~5.5V,即可通过输出可调电阻调节到我们所需要的电压;当VIN = 3.6V时,VOUT = 5V,IOUT支持1.5A输出,即带载能力强;封装为1.2mm*1.6mm,封装小,适合应用在体积受限的小产品内;上述是我们获取的有价值信息;
关于功耗方面,我们再看下述图片显示信息:
当该芯片使能引脚关闭时,即芯片不工作,芯片静态电流为0.1~0.2uA,此时,VIN是有输入电压的,即控制使能引脚即可实现芯片的低功耗应用。
我们再看此芯片推荐的应用电路:
我们结合手册以及工作经验设计原理图如下:
其中引脚2 “EN” 为使能引脚,我们加了10k的下拉电阻R1以及一个双向ESD,下拉电阻是为了保证芯片此引脚空闲时不是悬空的,是低电平,即不使能,只有当该引脚输入高电平时,此芯片正常工作。关于ESD此引脚是预留的,因为是医疗器械产品,需要过空气8kV,接触6kV的静电能力,产品电路中的使能引脚,复位引脚以及通信引脚都易受干扰,故此预留一个ESD;关于引脚3 “VIN” 为输入引脚,直接接产品供电电源,锂电池直接输入,另外并联一个10uF电容用于稳定输入电压用,注意此电容容值不是固定的,后续容值根据实际调试决定。我们注意到在VBAT和电感L4之间串联了一个100Ω@100MHz磁珠,此作用是防止芯片开关频率耦合到VBAT上;对于磁珠的工作原理,我们这里简单介绍下:即在100MHz频率下该磁珠阻抗为100Ω,假设DC-DC开关频率为1MHz,那么我们就需要选择在1MHz下阻抗较大的磁珠才会起到作用,对于下面是磁珠的阻抗特性曲线,我们观察到在350MHz下该磁珠阻抗最大。在1MHz下,该磁珠阻抗几乎趋于零,基本上不起作用;3.对于芯片引脚FB反馈引脚,我们根据手册可知此引脚电压为600mV,则根据公式:
VOUT = V2+V3+V4
= 0.6V+R3*I+R4*I
= 0.6V+R3*0.6V/R1+R4*0.6V/R1
=0.6V+4.392V+0.0002994V
=4.99V
4.关于升压电感,手册中亦有推荐,我们可以直接选用:如果手册推荐的电感比较贵,我们可以选择替代产品,选择替代产品时要注意:
电感值相同。饱和电流,我们要根据负载电流来选用即可,或者比较手册推荐的饱和电流也可以。直流电阻要和手册推荐类似即可。封装大小可以根据我们产品内部空间来选型,当然选择时也要考虑价格。
这里我们选用cjiang(长江微电)的FHD4020S-1R0MT,该电感电感值为1uH,饱和电流11A,直流电阻DCR = 23mΩ。
5.该芯片输出VOUT引脚采用了2个10uF电容并联外加一个100nF电容用于滤波和稳定电压;
下面是产品样板打样回来后调试结果:我们将主板通电,开机后,用示波器测试输出5V两端纹波如下:
输出纹波幅度大概为140mV,我们观察到充电时间为10us,放电时间为两百多us
此时我们将输出10uF电容C4更换为1206封装100uF,输出幅度降为60mV,但是纹波的放电时间上升超过500us,反馈太慢;这会导致:
电源效率降低:额外的能量损耗:输出纹波放电太慢意味着电容器在放电过程中消耗的时间较长,这期间会有一部分能量以热能等形式消耗掉,而不是有效地传输到负载端。例如在一些对能量利用效率要求较高的便携式设备中,这种能量损耗可能会影响设备的续航能力。影响开关元件的工作:放电太慢可能导致开关元件在下次充电周期开始时仍处于不完全放电的状态,这会增加开关元件的导通损耗,因为开关元件在非理想状态下工作,其电阻等特性会发生变化,从而导致更多的能量在开关过程中损失。影响负载的正常工作:电压稳定性下降:放电太慢会使输出电压的纹波在较长时间内不能恢复到稳定状态,导致输出电压的波动较大。对于一些对电压稳定性要求较高的负载,如精密电子仪器、芯片等,这种电压波动可能会影响其正常工作,甚至导致设备出现故障或误操作。例如,在一些高精度的模拟电路中,电压的微小波动都可能会对信号的处理产生较大的影响3。干扰信号增强:缓慢的纹波放电过程可能会产生一些低频的干扰信号,这些干扰信号会通过电源线路传输到负载端,对负载的正常工作产生干扰。特别是在一些对电磁兼容性要求较高的设备中,这种干扰可能会导致设备无法通过电磁兼容性测试。影响系统的可靠性和寿命:电容器老化加速:输出纹波放电太慢会使电容器长时间处于充放电的状态,这会加速电容器的老化,降低电容器的使用寿命。电容器是 DC-DC 升压电路中的重要元件,其性能的下降会影响整个电路的稳定性和可靠性1。热应力增加:放电太慢导致的能量损耗会转化为热能,使电路中的温度升高。长期处于高温环境下,电路中的元件会受到热应力的影响,其性能和可靠性会逐渐下降,甚至可能会出现元件损坏的情况。因此,我们在反馈电阻两端增加前馈电容用于改善相位裕度,增加环路稳定性,电路如下:在R3和R4两端增加220nF电容;
TI推荐的电容公式为:C5 = 1/2*Π*(R3+R4)*f
这里TI公司推荐f = 1kHz;
则再次用示波器测试得:纹波幅度明显减小,只有60mV;充放电时间都达到了合适水平,放电时间为200us以下;是满足要求的。
对于输入VIN,当DC-DC工作时我们用示波器测试结果如下:大概在VBAT上产生了4~5kHz频率、幅度约为200mV的杂波。
我们此时查找源头,推荐可能是DC-DC充放电瞬间导致,即引脚的SW引脚开关频率导致,我们用示波器测量SW引脚开关频率如下:下面是PWM调制时SW引脚的调制波形,这里只节选了一小段,这里的调制频率和VBAT引脚上是基本上时差不多的,基本上确认是DC-DC工作时导致的。这里我们考虑在输入将10uF电容更换为100uF电容。同时我们可以观察到SW引脚上产生了过冲和振铃,这会对周围器件造成影响,同时降低芯片的可靠性,因此需要在SW到地上增加RC缓冲电路,降低电流变化率。
电路改善后如下:
我们将示波器接在VIN上,纹波如下:纹波幅度只有60mV,可以满足要求;2.我们再将示波器接在SW引脚上,波形如下:波形明显改善;
关于RC缓冲电路,或者前馈电容以及磁珠用法适用于很多DC-DC,大家可以灵活应用;