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技術專題
48V至3.3V穩壓器設計項目
我計劃在48V電源上運行照明面板，這使我可以大幅度降低對微控制器供電的3.3VI需求。我需要一個具有寬輸入電壓范圍的降壓穩壓器，該穩壓器可以在非常低的占空比下運行。我需要低占空比，因為電流消耗會很小。話雖這么說，一些穩壓器不太喜歡，或者只是不允許輸入到輸出電壓有如此大的差距。在尋找穩壓器之前，我需要弄清楚ESP32的功耗是多少。其中包含各種州的電流消耗表，這為我提供了一個很好的基準。那里的表建議正常運行電流約為20-50mA，全速傳輸數據時建議高達250mA。
由于空閑狀態下的大壓降和低電流消耗，我不確定電源輸出的穩定性如何，因此我將調節電源至4.0V，而不是直接降至3.3V。這個較高的電壓將使我能夠使用低壓差線性穩壓器（LDO）獲得最終的3.3V。通過在開關電源之后使用線性穩壓器，我可以獲得非常穩定的低噪聲輸出，這將使ESP32中的無線電保持愉快狀態，并使所有設備平穩運行。
決定使用LDO并知道需要提供約250mA電流后，我正在尋找一種單片（完全集成）穩壓器IC，該器件可以在30-250mA的電流下從43-53V輸入提供4.0V電壓。我決定采用3x3mm DFN封裝的Analog Devices LT8619。3-60V的非常寬的輸入范圍，尤其是30ns的“快速最小接通時間”，吸引了我。它也是一個相當低的噪聲LDO，對于處理RF或音頻應用的任何事物都是有利的。
電源設計
電源設計是一個反復的過程。如果更改一個組件值或操作條件，則需要重新計算所有其他值和條件，以確保所做的選擇仍然有效。對我而言，這是選擇調節器，然后設計所需時間最多的原理圖的方面。
開關頻率
盡管穩壓器IC是高效率部件，但我只是不太期望在將要利用的低電流消耗下提高效率。因此，選擇良好的開關頻率尤為重要。較高的頻率往往會為您提供更小的組件，但是，我需要了解具有占空比的最小導通時間。較低的頻率將提供較高的效率和較大的輸入電壓范圍，但以較大值的元件為代價。經過多次計算之后，我將以最低頻率300kHz運行穩壓器。
我最初計算的設計約為1250kHz，但是在完成布局并仔細查看所有公式之后，我意識到穩壓器永遠不會在該頻率下進入強制連續模式。即使在300kHz時，它也可能沒有，但至少有機會以最低頻率進入更有效的運行模式。
在300kHz時，我的占空比應為8.35％，最小導通時間為257nS。在250mA的滿負載下，效率將高達85％，但是在50mA的負載下，效率下降到56％，這相當令人沮喪。從絕對值來看，損耗實際上只有160mW，很小，但是由于涉及的功率如此之小，它所占的比重很大。與以前的單片LED驅動器 IC項目不同，在這個項目中溫度對我來說不是問題，因為即使效率如此之低，我也希望DFN封裝的溫度只會上升6.5°C（43° C / Wθja。）
電感選擇
既然已經確定了開關頻率，就可以為電源選擇一個電感器。我計算出，在我們的300kHz開關頻率下，最佳電感約為25.52uH，在低成本封裝中，最接近我的選擇是22uH和27uH。
最初，我擔心將適合最初計劃的1258kHz頻率的低DCR電感器更改為具有相似占位面積但電阻更高的電感器。我覺得130毫歐的電阻應該可以，因為我沒有通過它。數據表證實了這一點。雖然建議的電阻為40毫歐左右，但數據表卻指出，以100毫歐為代價是一個不錯的折衷選擇，但會犧牲效率。盡管這樣做可能還不錯，但我不愿意為了節省一些重新設計的時間而在工程設計上做出取舍。如果較小的電感器便宜得多，或者具有其他優勢，我可能會堅持使用，但是我唯一值得注意的優勢就是節省了一些精力。因此，我們將在本文后面介紹兩種設計。
反饋電容
穩壓器使用分壓器進行反饋，就像其他穩壓器一樣。但是，考慮到電壓差和負載較小，我認為模擬反饋環路是一個好主意。在分壓器的上臂上沒有電容器時，相位裕度低于絕對最小額定值30度。通過在分壓器頂部電阻上添加一個3300pF電容器，我能夠使相位裕量提高到約52度，這高于建議的最低45度。這大大改善了負載瞬態曲線。
不帶C7的負載瞬變。右：用C7加載瞬態
輸入過濾器
我在其他一些項目中提到了對開關電源的輸入進行濾波的重要性。通常，我們會花很多精力對輸出進行濾波，以確保我們幾乎沒有EMI和來自下游電源的紋波，從而減少了電路問題。當您進行合規性測試時，這種對下游過濾和輸入過濾的疏忽的關注可能會再次吸引您。
上面是開關電源輸入端的傳導EMI的仿真。紅線是CISPR25限制，如果要通過汽車用途認證，則需要遵守這些限制。該設計并非旨在用于汽車用途，但這是一個易于使用的示例?；疑靵y是沒有濾波器的傳導EMI。它顯然嚴重超出了限制。您可能只需要在左下角和右下角劃出的藍色走線就是帶有基本PI濾波器的傳導EMI。
VIN和VILT之間的簡單PI濾波器
這種簡單，低成本的濾波器在106.16MHz時提供超過50dBμV的裕量，而不是失敗時超過20dBμV。上圖中的C3和C4是調節器的現有輸入電容，僅在設計中添加了C1 / C2和L1。
電磁兼容性不是產品的可選部分，它是強制性要求，因此在設計任何東西時都必須放在您的首位。您切換的電流越多，您就需要更多地關注傳導和輻射發射的潛在來源。
線性穩壓器
正如我在本文開頭提到的那樣，我想在開關模式電源的最終輸出階段使用線性穩壓器。這是由于以下事實：ESP32中的無線電需要具有清潔電源以實現最佳性能，并且提供清潔電源的最佳方法是通過線性穩壓器。線性穩壓器將提供來自開關模式穩壓器的最終電源清理功能，并且壓降只有4V至3.3V，將產生很少的熱量。
使用Diodes Inc AP2112K的低壓差線性穩壓器
我為此設計選擇了一個相對通用的Diodes Inc AP2112K穩壓器，SOT-23-5封裝緊湊，但足夠大，可以承受該項目的電流/熱量。我在穩壓器中尋找的主要規格是壓差電壓。在輸入和輸出之間具有0.7V的最大可接受壓差電壓，這排除了很多選擇。AP211K的壓差電壓為0.4V，符合我的要求。此外，它非常便宜，總是很好。
線性穩壓器在支撐組件方面幾乎不需要。電容為1μF時，輸出將穩定。我的輸入端也有1μF的電容，主要是為了在穩壓器附近安裝一個去耦電容。開關電源上的大量輸出電容將超過任何輸入電容要求。
在我的實現中（將使用此穩壓器），ESP32將在模塊旁邊具有它自己的大容量電容和去耦電容器，因此盡管更大的大容量電容對于設計可能是有利的，但這超出了本項目的范圍。對于該設計，具有足夠的電容來確保穩壓器的穩定輸出就足夠了。
成品示意圖
原理圖的其余部分相對簡單。我們在輸出上有去耦電容器，以確保下游幾乎沒有紋波，欠壓鎖定分壓器以及用于視覺反饋調節器工作狀態的LED。LED還在開關模式穩壓器上增加了一點額外負載，這將略微提高其工作效率。
初始電路板設計
如前所述，我本來是用一塊6mm的方形電感設計該板的，該電感非常適合較高的開關頻率。
最初設計的帶有6mm方電感的電路板
上圖中的PCB在布線之后