14-28V 至 12V-3.5A 1MHz DC 至 DC 降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)分享

DC-DC 轉(zhuǎn)換器是電子領(lǐng)域最常用的電路之一，尤其是在電源應(yīng)用中。非隔離 DC-DC 轉(zhuǎn)換器主要有三種類型：降壓、升壓和降壓-升壓。降壓轉(zhuǎn)換器有時(shí)也稱為降壓轉(zhuǎn)換器，升壓轉(zhuǎn)換器也稱為升壓轉(zhuǎn)換器。降壓轉(zhuǎn)換器降低(降低)輸入電壓，同時(shí)增加輸出電流。

在本文中，我使用先進(jìn)的 TPS54332 SOIC-8 芯片(德州儀器)設(shè)計(jì)了一個(gè) 12V-3.5A 非同步降壓轉(zhuǎn)換器電路。輸入電壓可在 14V 至 28V 之間變化，而輸出電壓固定在 12V。由于控制器集成的 MOSFET(80miohm)的 RDS(ON) 較低，該電路可以連續(xù)提供高達(dá) 3.5A 的電流。轉(zhuǎn)換器的高開關(guān)頻率(1MHz)允許我們使用小電感器，但應(yīng)遵循多項(xiàng)PCB設(shè)計(jì)規(guī)則以保證電路的穩(wěn)定運(yùn)行。

電路分析

圖 1 顯示了原理圖。電路的核心是 TPS54332DDA 芯片1。根據(jù)數(shù)據(jù)表：“TPS54332 是一款 28 V、3.5 A 降壓 (buck) 轉(zhuǎn)換器，帶有集成的高側(cè) N 溝道 MOSFET。為了提高線路和負(fù)載瞬變期間的性能，該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了恒定頻率、電流模式控制，從而降低了輸出電容并簡(jiǎn)化了外部頻率補(bǔ)償設(shè)計(jì)。TPS54332 的預(yù)設(shè)開關(guān)頻率為 1 MHz。

圖 1：14-28V 至 12V-3.5A 1MHz DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器原理圖

TPS54332 需要最低 3.5 V 的輸入電壓才能正常工作。EN 引腳具有內(nèi)部上拉電流源，可用于通過(guò)兩個(gè)外部電阻器調(diào)節(jié)輸入電壓欠壓鎖定 (UVLO)。此外，當(dāng) EN 引腳浮動(dòng)時(shí)，上拉電流為器件提供默認(rèn)工作條件。當(dāng)不切換且無(wú)負(fù)載時(shí)，工作電流通常為 82 μA。當(dāng)器件禁用時(shí)，電源電流通常為 1 μA。集成的 80 mΩ 高側(cè) MOSFET 可實(shí)現(xiàn)高效電源設(shè)計(jì)，連續(xù)輸出電流高達(dá) 3.5 A。

TPS54332 通過(guò)集成啟動(dòng)充電二極管來(lái)減少外部元件數(shù)量。集成高側(cè) MOSFET 的偏置電壓由 BOOT 至 PH 引腳上的外部電容器提供。UVLO 電路監(jiān)控啟動(dòng)電容器電壓，當(dāng)電壓低于預(yù)設(shè)閾值(通常為 2.1 V)時(shí)，將關(guān)閉高側(cè) MOSFET。輸出電壓可以降低至參考電壓。通過(guò)添加外部電容器，TPS54332 的慢啟動(dòng)時(shí)間可以調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)靈活的輸出濾波器選擇。

為了提高輕負(fù)載條件下的效率，TPS54332 通常在峰值電感電流降至 160 mA 以下時(shí)進(jìn)入特殊的脈沖跳躍 Eco 模式。頻率折返功能可在啟動(dòng)和過(guò)流條件下降低開關(guān)頻率，以幫助控制電感電流。熱關(guān)斷功能可在故障條件下提供額外的保護(hù)?！?

C5 和 C6 可穩(wěn)定轉(zhuǎn)換器(尤其是在浪涌電流消耗時(shí))并降低輸入噪聲。R2 和 R3 的分壓器可確保電壓水平保持在 1.4 至 6V 之間，以保證控制器在輸入電壓范圍內(nèi)保持開啟狀態(tài)。EN 引腳可以懸空，但不建議這樣做，尤其是在考慮使用 UVLO 功能的情況下。

R4 和 C7 是慢啟動(dòng)(軟啟動(dòng))元件，但 C7 的值不應(yīng)高于 27nF。C1 是 100nF 自舉電容。D1、L1、C2、C3 和 C4 是降壓轉(zhuǎn)換器元件，用于穩(wěn)定輸出電壓和電流。R1 和 R5 是定義輸出電壓水平的反饋電阻，但是，您可以重新計(jì)算這些值并使用以下公式使用所需的電阻，其中 R6、C8 和 C9 是誤差放大器元件：

PCB 布局

圖2顯示了該電路的PCB布局。這是一塊兩層PCB板，底層僅分配了地線。

圖 2：14-28V 至 12V-3.5A 1MHz DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器的 PCB 布局

在這種高頻和大電流設(shè)計(jì)中，PCB 布局是最重要的因素。圖 2 應(yīng)該能讓您了解必須使用電源平面而不是軌道來(lái)連接大電流 PCB 網(wǎng)絡(luò)。此外，必須避免電源平面或任何軌道中的任何環(huán)路。在降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，D1 二極管和 C6 必須盡可能靠近控制器。同樣，C2 應(yīng)盡可能靠近電感器。

正確接地是另一個(gè)改變游戲規(guī)則的設(shè)計(jì)點(diǎn)。底層幾乎是實(shí)心銅平面(藍(lán)色)，并被分配到地面以減少接地路徑的長(zhǎng)度和阻抗。頂層(紅色)的空白區(qū)域也被地面覆蓋，但遵循了星形接地布局(無(wú)接地環(huán)路)規(guī)則。這種技術(shù)可確保低 EMI(發(fā)射)和輸出端的較低噪聲。

我放置了一些 VIA，以進(jìn)一步減小環(huán)路尺寸和接地路徑的阻抗。控制器下方的 VIA 更大，因?yàn)樾酒路降碾娏髁魉佥^高，它們還有助于通過(guò)銅層散熱。圖 3 顯示了電路板的裝配圖。您可以從“參考資料”中的鏈接2下載 PCB Gerber 文件。

圖 3：14-28V 至 12V-3.5A 1MHz DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器裝配圖