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BUCK高频开关电源电路设计测试方案(1)

一、元件选型

1 芯片选型

2 电容选型

3 电感选型

4 电阻选型

二、高频开关电源测试

1高频开关电源PDN和纹波噪声

1.1高频开关电源PDN

1.2高频开关电源纹波和高频开关电源噪声

2常见的纹波噪声测试方案

2.1 纹波噪声测试基本要求

2.2 高通滤波器特性分析

2.3 无源探头DC耦合测试

2.4 无源探头AC耦合测试

2.5 同轴线外部隔直电容DC50欧耦合测试

2.6 同轴线AC1M欧耦合测试

2.7 差分探头外置电容DC耦合测试

2.8 差分探头衰减DC耦合测试

3 输入电压测试

4 输出电压测试

5 反馈电压测试

6 输出电流测试


1 芯片选型

如下图1所示为本模块的电路原理图,具体可以简化为输入部分、控制部分、输出部分以及反馈部分。输入部分:电容C1、C2、C3以及R1;控制部分:MP4420H芯片以及自举电路C5、R5;输出部分:电感L1、电容C6、C7以及C8。反馈部分:电阻R3、R4以及R2。

BUCK高频开关电源电路设计测试方案(1)

图1 高频开关电源模块原理图

 

   本模块需要实现一个DC-DC的高频开关电源转换功能,其输入为12V,输出为3.3V/2A。选择MP4420H这款芯片,MP4420H的输入范围为4V-36V之间,输出电压范围为0.8V-32.4V,最大输出电流2A。MP4420H的特点有:内置两只开关管且采用同步BUCK的技术、开关频率为450KHZ、内部实现软启动、占空比最大可达到95%以及热关断等。

如图2所示为其引脚图。

BUCK高频开关电源电路设计测试方案(1)

图2 MPH4420H引脚图

PG:该引脚的输出为开漏,输出电压为高电平超过标称电压的90%

IN:高频开关电源输入端,一般接几个电容用来储能和去耦

SW: 开关输出引脚

GND: 接地端

BST: 自举引脚端,需要在SW和BST引脚之间连接一个电容以形成浮动电压来驱动MP4420H内上端的开关管。自举电容建议串联一个20欧姆电阻以降低SW尖峰电压。

EN/SYNC:使能/同步引脚端

VCC: 偏置电压,一般会加一个0.1Uf ~0.22uF的去耦电容,不要超过0.22uF

FB:反馈端

2 电容选型

2.1输入电容选型:

输入电容的主要目的为储能和滤波,以防止输出需要大电流的时候,外部供电模块来不及供电,从而导致输出电压跌落的现象。在选择输入电容的时候首先要保证电容的耐压值为供电模块电压的1.5倍,

根据MP4420H的数据手册可知输入电容的计算公式1:

公式1:

BUCK高频开关电源电路设计测试方案(1)

为输出电流2A,fs为开关频率450KHZ,Cin为输入电容,Vout为输出电压3.3V,Vin为输入电压12V。本模块选用MP4420H数据手册中推荐的22uF的贴片陶瓷电容,可计算出为44mV。选择两个风华牌10uF/25V的C1和C2贴片陶瓷电容并联,再并联一个电容C3大小为10nF/25V的小电容以滤除输入直流电压中夹杂的高频信号。

2.2输出电容选型:

输出滤波电容值可通过计算得到,但是一般在选择电容值的时候通常会选择1.2-2倍计算出的电容值或者更大的电容量,在PCB面积允许的条件下最好多个电容并联。由于输出滤波电容和输出电感会形成两个极点,这会导致电路输出不正常,具体表现为输出纹波较大、输出上升沿有强烈的振荡等。所以在选择电容值的时候也要适当考虑电感值。由MP4420H数据手册可知输出电容和以下公式相关:


L1为输出滤波电感,ESR为输出电容的内阻。故根据输出纹波的要求可大致得到输出电容的大小,在选择电容的时候一般都会选择电容值更大点的电容。对于开关高频开关电源模块,高频开关电源自身会产生和开关频率一致的高频开关电源纹波,始终叠加在高频开关电源上输出。输出纹波也会由输出电容的内阻所引起,不断的给输出电容充放电,充电电流在输出电容的内阻ESR两端就会有压降,这个就会产生输出纹波,所以在选择输出电容的时候尽量选择ESR较小的贴片陶瓷电容而不是电解电容,选择几个电容并联也是为了降低输出内阻,一般都会在输出端并联一个较小的电容一般为nF级别的电容以滤去高频纹波。本模块选择两个100uF/16V和一个100nF/16V的贴片陶瓷电容并联。

3电感选型

输出电感的主要作用是用来稳定输出电流以及储能,输出电感和输出电容组成的LC滤波电路主要用来平滑输出电压,使输出电压是一个稳定的直流。在选择输出电感的时候,除了要考虑电感值的大小外更要考虑电感所能抑制的电流值。对于BUCK开关变换器的输出电感的电流额定值最少是1.2倍的输出电流。根据MP4420H的数据手册可知,输出电感的电感值在1uH~10uF,电感电流额定值最少为超过负载电流的25%。对于大多数的设计,电感值可由以下公式得到:

BUCK高频开关电源电路设计测试方案(1)

为电感的斜坡电流,其大小一般为电感电流最大值的30%。

根据计算得到输出电感值为8uH,实际选择10uH/5A的贴片电感。

4 电阻选型

使能电阻R1的选择,EN/SYNC引脚用来控制芯片是否工作,当其为高电平时,芯片就使能工作;当其为低电平时,芯片就不工作。EN/SYNC引脚有一个6.5V的稳压管,连接一个使能电阻到输入端可以使电路使能,流入使能电阻的电流少于150uA,故本模块的使能电阻


,选择R1=100KW。

反馈部分电阻的选择,MP4420H通过外接反馈电阻形成一个闭环的电路,从而使输出稳定在3.3V。通过R3和R4的分压得到反馈电压,反馈电压和MP4420H内部的比较器做比较,当反馈电压大于内部比较器的参考电压0.8V时,MP4420H内部的开关管关断,切断输入向输出传递能量。数据手册中推荐R3的大小在40KW左右,本模块选择41.3KW。故可得到R4:


由Vout=3.3V,可得到R4=13KW

R3和R2用来设置环路带宽,R3和R2越大,带宽越小,环路带宽一般要小于开关频率fs的1/10,以使输出稳定。根据数据手册推荐的R2为51KW。


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