去年做一塊車載傳感器采集板時(shí)我碰上一個(gè)挺磨人的供電問(wèn)題板上只有一路5V輸入?yún)s要同時(shí)給運(yùn)放供±12V、給繼電器驅(qū)動(dòng)供12V。按老套路至少得塞兩路DCDC再加一路負(fù)壓發(fā)生器板面積和成本都?jí)翰蛔?。后?lái)翻到LT8580的數(shù)據(jù)手冊(cè)發(fā)現(xiàn)這是一顆少見(jiàn)的單片式多拓?fù)滢D(zhuǎn)換器內(nèi)部集成6A/44V功率開(kāi)關(guān)只需改外部電感、二極管、電容的接法就能分別實(shí)現(xiàn)Boost升壓、SEPIC升降壓和Inverting負(fù)壓輸出三種拓?fù)?。這篇文章就圍繞LT8580這顆芯片把三種拓?fù)涞碾娐酚?jì)算、元件選型、PCB布局和實(shí)測(cè)調(diào)試過(guò)程完整過(guò)一遍順帶把我踩過(guò)的坑都擺出來(lái)。1. 一顆芯片三種活LT8580的多拓?fù)浼軜?gòu)是怎么實(shí)現(xiàn)的1.1 Boost、SEPIC、Inverting到底差在哪很多人一看多拓?fù)淙齻€(gè)字就覺(jué)得高深其實(shí)剝開(kāi)來(lái)看這三種電路都是開(kāi)關(guān)管、電感、二極管、電容的組合。你只要搞清楚每個(gè)元件的接法和能量走向三種拓?fù)涞淖匀痪屯?。Boost升壓是最基礎(chǔ)的拓?fù)潆姼泻投O管串聯(lián)在輸入和輸出之間開(kāi)關(guān)管從電感后端接地。開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)電感蓄能開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)電感上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和輸入電壓疊加把能量推向輸出。輸出一定比輸入高而且電流能力會(huì)隨升壓比增加而下降。SEPIC可以理解成先升后降的組合拳輸入先經(jīng)過(guò)L1中間串一個(gè)耦合電容Cs再經(jīng)過(guò)L2輸出。它的特點(diǎn)是輸出極性為正輸出電壓可以高于輸入也可以低于輸入適合輸入電壓波動(dòng)范圍大的場(chǎng)景比如鋰電池從4.2V放到2.8V你要穩(wěn)定輸出3.3V或5VSEPIC就很順手。Inverting反相拓?fù)鋭t是把輸出做到負(fù)電壓。它同樣使用一個(gè)電感但電感和開(kāi)關(guān)管的位置關(guān)系跟Boost不同輸出取電感的負(fù)向擺幅。結(jié)果就是輸入12V輸出-12V負(fù)載電流從地流向輸出端。表格對(duì)比一下最直觀特性BoostSEPICInverting輸出極性正正負(fù)輸入輸出關(guān)系Vout Vin任意Vout 0電感個(gè)數(shù)12或耦合電感1典型場(chǎng)景5V升12V電池范圍轉(zhuǎn)穩(wěn)定電壓正轉(zhuǎn)負(fù)給運(yùn)放供電占空比公式(CCM)(Vout-Vin)/VoutVout/(VinVout)|Vout|/(Vin|Vout|)1.2 LT8580的SW引腳開(kāi)漏開(kāi)關(guān)帶來(lái)的拓?fù)渥杂啥萀T8580能一芯三用核心在于它的SW引腳是開(kāi)漏結(jié)構(gòu)內(nèi)部是一個(gè)N溝道功率MOSFET源極接GND漏極引到SW。這種結(jié)構(gòu)跟外面怎么接無(wú)關(guān)開(kāi)關(guān)管永遠(yuǎn)只是把SW拉到地或者釋放SW兩個(gè)動(dòng)作。在Boost模式下SW接電感和二極管陰極開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)電感充電到地開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)二極管續(xù)流SW被推向Vout。在SEPIC模式下SW接L2和耦合電容Cs中間的節(jié)點(diǎn)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)兩個(gè)電感都儲(chǔ)能關(guān)斷時(shí)都釋放SW節(jié)點(diǎn)電壓被二極管鉗位在Vout方向形成一個(gè)正壓輸出。在Inverting模式下SW更特別它直接作為負(fù)電壓輸出節(jié)點(diǎn)。開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)電感從VIN經(jīng)SW到地儲(chǔ)能開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)電感電流必須維持原來(lái)的方向SW節(jié)點(diǎn)會(huì)被強(qiáng)制拉低到負(fù)電位然后通過(guò)二極管從地0V回路續(xù)流。這時(shí)候負(fù)載就接在GND和SW之間SW對(duì)地就是負(fù)電壓。這種開(kāi)漏結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢(shì)是外部電路可以決定SW節(jié)點(diǎn)的電壓極性芯片內(nèi)部不需要為每種拓?fù)渥霾煌尿?qū)動(dòng)邏輯。你用LT8580做反相本質(zhì)上和做升壓是同一套開(kāi)關(guān)動(dòng)作只不過(guò)外部把SW的電位拽到了負(fù)電壓區(qū)域。1.3 反饋網(wǎng)絡(luò)一條FB走天下的關(guān)鍵LT8580的反饋引腳FB是比較器的一個(gè)輸入端。輸出電壓通過(guò)電阻分壓后送到FB當(dāng)FB電壓達(dá)到內(nèi)部基準(zhǔn)約1.25V具體以芯片手冊(cè)為準(zhǔn)芯片就調(diào)整占空比讓輸出穩(wěn)定。Boost和SEPIC模式的反饋分壓很直觀輸出是正壓分壓電阻一頭接輸出一頭接地中間給FB。Inverting模式要稍微繞一下。輸出是負(fù)壓分壓電阻就要接在GND和負(fù)輸出之間。以12V轉(zhuǎn)-12V為例分壓網(wǎng)絡(luò)從0V到-12V取中間點(diǎn)讓FB等于1.25V也就是用電阻把-12V抬升到1.25V。實(shí)際計(jì)算時(shí)只要保證負(fù)壓在分壓點(diǎn)上的比例對(duì)應(yīng)1.25V即可。這一條反饋設(shè)計(jì)讓三種拓?fù)湓诳刂骗h(huán)路上完全復(fù)用。芯片不需要知道你做的是正的還是負(fù)的輸出它只關(guān)注FB引腳的電壓是否等于1.25V。這也是LT8580這類多拓?fù)湫酒O(shè)計(jì)的高明之處把拓?fù)洳町惛綦x在功率級(jí)控制級(jí)統(tǒng)一處理。2. 三種拓?fù)涞脑?jì)算與選型思路2.1 Boost模式5V升12V1A的完整計(jì)算Boost是我在一開(kāi)始項(xiàng)目中首先用到的模式5V輸入升到12V負(fù)載1A。下面把完整的計(jì)算路徑走一遍以連續(xù)導(dǎo)通模式CCM為例。先算占空比?？紤]輸出二極管有約0.4V的壓降實(shí)際輸出電壓目標(biāo)要按12.4V算因?yàn)镕B采樣的是輸出端但電感產(chǎn)生的是輸出電壓二極管壓降D (Vout Vf - Vin) / (Vout Vf) (12.4 - 5) / 12.4 ≈ 0.597電感值按照紋波電流來(lái)確定。工程上一般取負(fù)載電流折算到輸入端平均電流的20%到40%作為紋波電流。這里負(fù)載1A輸出12V輸入5V輸入平均電流約2.4A到2.9A考慮效率取紋波ΔIL 0.4A開(kāi)關(guān)頻率取1MHzL Vin × D / (fsw × ΔIL) 5 × 0.597 / (1e6 × 0.4) ≈ 7.46μH實(shí)際取標(biāo)準(zhǔn)值10μH?；仡^驗(yàn)算一下紋波電流ΔIL Vin × D / (fsw × L) 5 × 0.597 / (1e6 × 10e-6) ≈ 0.3A輸入平均電流Iin ≈ 12 × 1 / (5 × 0.85) ≈ 2.82A效率按0.85估算再加上紋波一半約0.15A電感峰值電流約3A。LT8580內(nèi)部開(kāi)關(guān)電流限制是6A給足了一倍余量工作很穩(wěn)。開(kāi)關(guān)管峰值電流也是電感峰值電流所以整個(gè)設(shè)計(jì)要保證IL_Peak ΔIL/2不超過(guò)6A這是硬約束。輸出電容選在低ESR的陶瓷電容推薦X5R或X7R。我實(shí)際用了兩顆22μF/25V并聯(lián)紋波能控制在30mV以內(nèi)負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)也夠。電容選擇上務(wù)必注意直流偏壓下的容量衰減很多陶瓷電容在接近額定電壓時(shí)容量掉到標(biāo)稱的一半所以耐壓要留足余量。2.2 SEPIC模式鋰電池寬范圍升5V的算例SEPIC模式我是在另一塊電池供電設(shè)備上用的輸入鋰電池電壓范圍2.8V到4.2V輸出穩(wěn)定5V負(fù)載1A。SEPIC的占空比公式和Boost不同因?yàn)閮蓚€(gè)電感分擔(dān)了電壓轉(zhuǎn)換D (Vout Vf) / (Vin Vout Vf)取典型輸入3.3VVf按0.4VD 5.4 / (3.3 5.4) ≈ 0.621SEPIC有兩個(gè)電感。從設(shè)計(jì)習(xí)慣上L1和L2取相同值各自承載的平均電流不同L1的平均電流是輸入電流L2的平均電流是輸出電流。輸入電流約1.64A按5.4W輸出/3.3V/效率0.85估算輸出電流1A。取每個(gè)電感的紋波電流約0.5A頻率1MHzL1 L2 Vin × D / (fsw × ΔIL) 3.3 × 0.621 / (1e6 × 0.5) ≈ 4.1μH實(shí)際取4.7μH飽和電流要高于3A。注意L1、L2如果選兩個(gè)獨(dú)立電感磁路彼此獨(dú)立紋波電流按照上面公式算就沒(méi)問(wèn)題。如果采用耦合電感選標(biāo)稱電感量相同的耦合電感可以顯著降低輸入側(cè)紋波實(shí)際效果更好但驅(qū)動(dòng)電路要注意耦合電感兩繞組的同名端方向接反會(huì)導(dǎo)致紋波反而增大。SEPIC的耦合電容Cs也關(guān)鍵它要承受輸入和輸出之間的交流壓差RMS電流比較大。我用了10μF/25V的X7R電容兩個(gè)并聯(lián)能有效降低電容上的電壓紋波。這個(gè)電容不要圖省事用體積太小的RMS電流過(guò)大會(huì)發(fā)熱。SEPIC的輸出電流能力和開(kāi)關(guān)峰值電流的關(guān)系更復(fù)雜。開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)兩個(gè)電感同時(shí)通過(guò)開(kāi)關(guān)管放電開(kāi)關(guān)峰值近似的等于L1峰值電流加L2峰值電流也就是輸入電流加輸出電流再加紋波。所以6A開(kāi)關(guān)限制下1A級(jí)別負(fù)載綽綽有余但如果想做到2A以上就要重新算裕量。2.3 Inverting模式12V轉(zhuǎn)-12V負(fù)壓輸出的算法Inverting模式我主要用在運(yùn)放負(fù)電源。12V輸入-12V輸出負(fù)載0.5A。占空比公式D (|Vout| Vf) / (Vin |Vout| Vf) 12.4 / 24.4 ≈ 0.508Inverting拓?fù)渲须姼须娏魍瑫r(shí)是輸入電流平均值為Iout除以(1-D)IL_avg Iout / (1 - D) 0.5 / (1 - 0.508) ≈ 1.02A紋波電流取0.4A頻率1MHzL Vin × D / (fsw × ΔIL) 12 × 0.508 / (1e6 × 0.4) ≈ 15.2μH取標(biāo)準(zhǔn)15μH。峰值電流約1.2A離6A還很遠(yuǎn)但要注意的是Inverting模式下最大輸出電流本身就受占空比限制當(dāng)占空比0.5時(shí)理論極限輸出電流約等于6A×(1-D)3A實(shí)際留一半余量做到1.5A左右比較穩(wěn)妥。想提高輸出電流可以降低輸出電壓幅度或者提高輸入電壓讓占空比變小。輸出電容和負(fù)載接法要特別注意負(fù)輸出端是SW節(jié)點(diǎn)不是地輸出電容正極接地負(fù)極接SW。很多人第一次畫(huà)這個(gè)電路容易把電容極性畫(huà)反一上電電容直接炸。選電容時(shí)耐壓按|Vout|再加至少50%余量16V耐壓是不夠的得用25V以上。二極管在Inverting模式下的接法和Boost不同陽(yáng)極接SW負(fù)輸出端陰極接GND。開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)二極管導(dǎo)通把電感電流從地回路拉到負(fù)輸出側(cè)。2.4 電感飽和與二極管耐壓選型細(xì)節(jié)決定成敗元件選型里電感飽和電流是最容易踩的坑。開(kāi)關(guān)峰值電流不是負(fù)載電流是負(fù)載電流折算后的輸入電流再疊加紋波。很多工程師按輸出電流選電感飽和電流結(jié)果一重載電感飽和芯片不炸也喘振。選電感的經(jīng)驗(yàn)公式電感的飽和電流至少大于最大峰值電流的1.2倍到1.5倍Boost和Inverting模式下峰值電流看輸入側(cè)電流SEPIC模式看兩個(gè)電感各自的平均電流電感受溫度影響高溫下飽和電流會(huì)下降熱設(shè)計(jì)上要留余量二極管方面推薦全部用肖特基管反向恢復(fù)時(shí)間短開(kāi)關(guān)損耗小。反向耐壓要覆蓋開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)SW節(jié)點(diǎn)的最大電壓拓?fù)涠O管反向耐壓要求推薦耐壓Boost≥ Vout40VSEPIC≥ Vin Vout40VInverting≥ |Vout| Vin30V~40VLT8580內(nèi)部開(kāi)關(guān)最大耐壓44V所以二極管耐壓和SW節(jié)點(diǎn)尖峰必須嚴(yán)格控制。PCB寄生電感和漏感會(huì)在SW節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生振鈴尖峰電壓可能比穩(wěn)態(tài)高30%以上所以我推薦用耐壓余量大的肖特基同時(shí)盡量縮小開(kāi)關(guān)環(huán)路面積。3. PCB布局與熱設(shè)計(jì)三種拓?fù)涞墓残耘c差異3.1 高頻電流環(huán)越小EMI越省心開(kāi)關(guān)電源的PCB布局核心思路就一句話讓高頻脈沖電流的環(huán)路面積盡量小。LT8580的開(kāi)關(guān)頻率可以到2.5MHz頻率越高寄生電感對(duì)環(huán)路的影響越明顯。Boost模式下的關(guān)鍵環(huán)路是輸入電容 → 電感 → SW引腳 → 內(nèi)部MOSFET → GND引腳 → 輸入電容。這個(gè)環(huán)路在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)流過(guò)最大di/dt面積大了會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。布局時(shí)輸入電容必須緊靠VIN和GND引腳電感靠近SW引腳輸出二極管靠近SW和輸出電容。SEPIC模式多了一個(gè)耦合電容Cs又多了一個(gè)環(huán)路L1 → Cs → L2 → 二極管 → 輸出電容 → GND → L1。耦合電容和二極管、兩個(gè)電感之間的連接線都要盡量短。Inverting模式最容易被忽視的是地回路。雖然輸出是負(fù)壓但電流回路還是要從輸出電容回到芯片的GND引腳。輸出電容必須盡可能靠近SW引腳和GND引腳負(fù)輸出走線用短粗線直接連到負(fù)載避免長(zhǎng)距離細(xì)線增加阻抗和噪聲。3.2 反相模式的地和噪聲一個(gè)我栽過(guò)的跟頭Inverting模式下GND并不等于干凈地。負(fù)載的電流從GND流向負(fù)輸出端這個(gè)地平面上的電流是直流偏置的開(kāi)關(guān)脈沖。如果反饋網(wǎng)絡(luò)接到地平面的位置不對(duì)反饋信號(hào)就會(huì)被污染輕則輸出紋波大重則環(huán)路不穩(wěn)定。我的做法是反饋電阻的接地點(diǎn)單獨(dú)引一小段走線直接回到芯片GND引腳附近不要走到負(fù)載的電流回流路徑上。輸出電容的地也要分開(kāi)走一個(gè)主功率地一個(gè)信號(hào)地然后在芯片GND引腳處單點(diǎn)匯合。另外Inverting模式下SW引腳上疊加的是負(fù)電壓脈動(dòng)波形示波器測(cè)量時(shí)探頭地不能直接夾在GND端否則會(huì)引入地回路噪聲。正確做法是探頭用彈簧地針直接點(diǎn)在SW附近的GND焊盤(pán)上。3.3 SW節(jié)點(diǎn)散熱與噪聲的平衡LT8580內(nèi)部開(kāi)關(guān)損耗和電感銅損最終都轉(zhuǎn)化為熱量。SW節(jié)點(diǎn)是功率開(kāi)關(guān)的漏極也是溫度最高的地方之一。散熱方面SW引腳連接到外部電感和二極管焊盤(pán)和銅箔就是散熱路徑。SW節(jié)點(diǎn)的銅箔面積要適當(dāng)加大但也不能無(wú)限大因?yàn)镾W節(jié)點(diǎn)是高頻噪聲源大面積銅箔相當(dāng)于一個(gè)天線會(huì)輻射電磁噪聲。我常用的折衷辦法是SW節(jié)點(diǎn)銅箔設(shè)計(jì)成中等面積形狀盡量規(guī)則然后在銅箔下方鋪一層完整的地平面讓SW節(jié)點(diǎn)和地平面之間形成分布電容幫助抑制高頻輻射。芯片底部的散熱焊盤(pán)要開(kāi)多個(gè)過(guò)孔到內(nèi)層地平面增強(qiáng)導(dǎo)熱。三種拓?fù)鋵?duì)SW節(jié)點(diǎn)熱的要求略有差異Boost模式SW節(jié)點(diǎn)在二極管反向恢復(fù)期間電壓應(yīng)力最大熱損耗也集中Inverting模式SW節(jié)點(diǎn)工作在負(fù)壓區(qū)間散熱路徑和地平面的關(guān)系要特別設(shè)計(jì)不然熱量走不掉。4. 調(diào)試實(shí)測(cè)LT8580的踩坑記錄與波形分析4.1 先仿真再上板LTspice里把拓?fù)渑芡玫絃T8580之后我沒(méi)有直接畫(huà)PCB而是先在LTspice里搭了三種拓?fù)涞姆抡妗Tspice里自帶LT8580的模型直接把官方示例改一改幾分鐘就能跑出一組波形。仿真最大的價(jià)值不是精確預(yù)測(cè)效率而是驗(yàn)證占空比、電感和電容取值的方向是否正確以及觀察SW節(jié)點(diǎn)電壓應(yīng)力。我習(xí)慣在仿真里放一個(gè)階躍負(fù)載看輸出電壓的瞬態(tài)響應(yīng)。如果負(fù)載從0.1A階躍到1A輸出電壓跌落超過(guò)100mV就要檢查輸出電容是否夠大電感峰值電流是否逼近限制。4.2 反相啟動(dòng)時(shí)輸出被拉在0V附近的排查有一次調(diào)試Inverting電路上電后輸出一直只有-0.2V左右明顯沒(méi)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。排查了反饋分壓、焊接、電感都沒(méi)問(wèn)題。后來(lái)用示波器看SW節(jié)點(diǎn)波形發(fā)現(xiàn)芯片在嘗試啟動(dòng)但每次電感電流還沒(méi)建立起來(lái)就觸發(fā)了過(guò)流保護(hù)然后重啟形成周期性的打嗝。問(wèn)題出在軟啟動(dòng)電容上。Inverting模式下啟動(dòng)瞬間輸出電容要從0V充到-12V充電電流非常大而電感電流上升速率受限于VIN/L啟動(dòng)瞬間如果占空比被輸出電壓拉得很大電感電流會(huì)迅速?zèng)_到開(kāi)關(guān)限流點(diǎn)。解決辦法是把軟啟動(dòng)電容從原來(lái)手冊(cè)典型值的0.1μF加到1μF讓輸出緩慢建立同時(shí)減小了啟動(dòng)浪涌。類似的問(wèn)題也可能發(fā)生在SEPIC模式下因?yàn)镾EPIC有兩個(gè)電感和一個(gè)耦合電容啟動(dòng)時(shí)耦合電容需要充電瞬態(tài)電流比Boost更復(fù)雜。軟啟動(dòng)電容加大一檔基本能解決。4.3 紋波偏大和示波器測(cè)量的誤導(dǎo)有一版Boost電路在開(kāi)關(guān)頻率1MHz下輸出紋波始終在80mV左右比預(yù)期高很多。一開(kāi)始以為輸出電容不夠并聯(lián)了好幾顆紋波沒(méi)怎么降。后來(lái)?yè)Q用帶彈簧地針的示波器探頭測(cè)量點(diǎn)直接壓在輸出電容引腳上紋波立刻降到25mV。原來(lái)之前用的長(zhǎng)地線夾子在1MHz頻率下形成一個(gè)大環(huán)路探頭地線本身就把高頻輻射撿進(jìn)來(lái)了測(cè)出來(lái)的根本不是真實(shí)的輸出紋波。這是一個(gè)很常見(jiàn)的測(cè)量誤區(qū)。測(cè)開(kāi)關(guān)電源紋波時(shí)探頭地線一定要短最好用探頭自帶的彈簧地針。如果條件不允許可以把探頭地線繞在探頭尖端一圈盡量減少環(huán)路面積。真正常見(jiàn)的輸出紋波來(lái)源是電感電流紋波流過(guò)輸出電容ESR產(chǎn)生的電壓起伏以及開(kāi)關(guān)切換瞬間di/dt在寄生電感上產(chǎn)生的尖峰。要抑制后者可以在SW到地之間加一個(gè)RC吸收電路R取幾歐C取幾百皮法到幾納法具體通過(guò)頻譜儀或示波器觀察振鈴頻率來(lái)調(diào)。4.4 輕負(fù)載下的間歇脈沖和音頻噪聲LT8580在輕負(fù)載下如果進(jìn)入脈沖跳躍模式電感會(huì)產(chǎn)生音頻頻段的嘯叫。我在0.1A負(fù)載時(shí)遇到過(guò)一次輸出端能聽(tīng)到輕微的嘶嘶聲。這不是芯片壞了而是輕載時(shí)脈沖頻率落進(jìn)了人耳可聽(tīng)范圍內(nèi)。解決辦法有兩種。一種是在輸出端加一個(gè)假負(fù)載把電流拉到0.3A以上讓芯片退出脈沖跳躍區(qū)但缺點(diǎn)是待機(jī)功耗會(huì)增加。另一種是利用LT8580的外部同步功能用一路外部時(shí)鐘信號(hào)把開(kāi)關(guān)頻率強(qiáng)制釘在1MHz這樣即使輕載脈沖頻率也不會(huì)落到音頻段。我在設(shè)計(jì)板上預(yù)留了一個(gè)測(cè)試點(diǎn)方便調(diào)試時(shí)接外部信號(hào)源。如果量產(chǎn)不允許額外信號(hào)源也可以做一個(gè)極簡(jiǎn)的時(shí)鐘電路或者用芯片內(nèi)部的固定頻率方案配合假負(fù)載。5. LT8580和同類方案怎么選5.1 6A開(kāi)關(guān)帶來(lái)的是功率等級(jí)上的優(yōu)勢(shì)LT8580內(nèi)部開(kāi)關(guān)是6A/44V這是它最大的賣點(diǎn)。同類多拓?fù)湫酒鯞oost輸出電流通常在幾百毫安級(jí)別而LT8580在12V輸入、Boost到24V輸出時(shí)可以做到1A以上的輸出電流。做Inverting時(shí)理論的輸出電流上限是開(kāi)關(guān)峰值電流乘以(1-D)在±15V對(duì)轉(zhuǎn)場(chǎng)景下能帶