采用D-CAP2模式控制完成12V轉(zhuǎn)5V電源設(shè)計(jì)

【方案介紹】
在使用51單片機(jī)做開發(fā)設(shè)計(jì)的年代，一個7805電源管理芯片是比不可少的東西，這個最大輸出電流可達(dá)1A的線性穩(wěn)壓器是我們剛開始學(xué)51時最先接觸到的電源芯片，另外一個就是赫赫有名的117/1117，這些芯片因?yàn)閮r格便宜而應(yīng)用非常廣泛，但在設(shè)計(jì)產(chǎn)品中，也發(fā)現(xiàn)其一些不足，效率低，容易受干擾，容易被燒壞。隨著MCU架構(gòu)的不斷升級，設(shè)計(jì)的復(fù)雜度提高，慢慢地開始喜歡應(yīng)用LM2575/LM2576/LM2596這些開關(guān)電源芯片。對于51核心的控制板，單電源方案中，一個電源芯片的選擇非常重要，穩(wěn)定性，工作溫度，紋波，防護(hù)性都要去考慮?，F(xiàn)在的MCU升級到3.3V電源供電，1.8V供電，功耗越來越低，性能越來越好，選擇合適的電源芯片對這些高性能的MCU來說，非常關(guān)鍵！我們知道，一般的控制設(shè)備接入的是12V直流電或24V直流電甚至到36V直流電，36V以上的就屬于高壓電了，就得單獨(dú)考慮了。對于5V供電系統(tǒng)，采用上面的一片電源芯片就可以解決，成本也不會高。但對于3.3V、1.8V甚至1.5V、1.2V的電源系統(tǒng)，采用24V或12V直接轉(zhuǎn)換的方式的電源芯片可以實(shí)現(xiàn)，但成本會超出很多預(yù)算，通常的做法就是采用二級電路或多級電路，首先將12V或24V降壓到5V，然后再將5V降壓到3.3V、1.8V、1.5V和1.2V再用。因?yàn)楝F(xiàn)在5V供電的器件非常多，降到到5V后，可以滿足部分器件的供電需要。由5V降壓到3.3V或更低的，這樣低成本的方案采用LDO即可，采用開關(guān)電源芯片成本也不高。
由此可見，從12V或24V降到5V的這一環(huán)節(jié)非常重要，這里可以選擇的芯片方案眾多，有采用散熱片的，有采用芯片散熱盤的，在這里，跟大家分享一個非常不錯的12V降到5V的芯片解決方案。這個芯片就是TI的TPS54229E芯片。

TPS54229E是一款自適應(yīng)接通時間 D-CAP2 模式同步降壓型轉(zhuǎn)換器。它為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了一個低成本、低組件數(shù)量和低待機(jī)電流的解決方案，來完成各種終端設(shè)備的電源總線調(diào)節(jié)器套件的設(shè)計(jì)。TPS54229E 的主控制環(huán)路采用 D-CAP2 模式控制，無需外部補(bǔ)償組件便可實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng) 。自適應(yīng)接通時間控制可在更高負(fù)載狀態(tài)下的 PWM 模式與輕負(fù)載下的Eco-mode? 工作之間實(shí)現(xiàn)無縫轉(zhuǎn)換。Eco-mode? 使TPS54229E 能夠在較輕負(fù)載狀況下保持高效率。此外，TPS54229E的專有電路還使這個設(shè)備能夠采用諸如 POSCAP 或 SP-CAP 等低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 輸出電容器以及超低 ESR 陶瓷電容器。該器件的工作輸入電壓為：4.5V—18V, 輸出電壓可在0.76 V與 7 V 之間進(jìn)行編程。此外，該器件還支持可調(diào)軟啟動時間。TPS54229E用了8-引腳DDA封裝，占用PCB空間較小，設(shè)計(jì)工作溫度范圍為 –40°C 到 85°C，可以滿足一般工業(yè)控制設(shè)備的應(yīng)用，它價格在7元左右，適合用于中端控制設(shè)備。

它的特性如下：
1、D-CAP2 模式支持快速瞬態(tài)響應(yīng)；
2、低輸出紋波并支持陶瓷輸出電容器；
3、寬 VIN 輸入電壓范圍： 4.5 V至 18 V；
4、輸出電壓范圍： 0.76V 至 7.0 V；5、高效率集成型 FET；
6、針對更低占空比應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化 ；
7、支持 160 m? （高側(cè)）與 110 m? （低側(cè)）MOSFET；
8、高初始帶隙參考精度；
9、可調(diào)軟啟動；
10、預(yù)偏置軟啟動；
11、650-kHz 開關(guān)頻率 (fSW) ；
12、逐周期限流；
13、自動跳躍Eco-mode以實(shí)現(xiàn)輕負(fù)載時的高效率；下面是它的原理框圖：

其中，輸出電壓是可以調(diào)節(jié)的，計(jì)算公式如下：

下面是利用TIWEBENCH工具生成LM2596芯片方案的過程：
步驟一 開啟設(shè)計(jì)
首先點(diǎn)擊工具圖標(biāo)左上角的【電源】及紅色字體【開始設(shè)計(jì)】，如下圖：

步驟二參數(shù)設(shè)置
點(diǎn)擊上面的開啟設(shè)計(jì)后，系統(tǒng)會載入FLASH界面，并出現(xiàn)下面的默認(rèn)設(shè)計(jì)界面：

在上面的設(shè)置參數(shù)里面進(jìn)行設(shè)置，選擇【DC】，最小輸入電壓=最大輸入電壓=12V,輸出電壓：3.3V,輸出電流：0.5A,工作溫度：30℃。如下圖：

點(diǎn)擊綠色按鈕【重新計(jì)算】后，生成了296個芯片方案，在方案中，找到TPS54229E這個方案，如圖：

通過方案預(yù)覽功能，我們可以看到，工具支持原理圖導(dǎo)出，帶原理圖，BOM面積、成本和效率都有，點(diǎn)擊綠色按鈕【開啟設(shè)計(jì)】。生成的設(shè)計(jì)界面如下圖：

這個界面給了我們更多的設(shè)計(jì)信息。
步驟三生成設(shè)計(jì)報(bào)告及導(dǎo)出原理圖
點(diǎn)擊方案界面的【EXPORT】按鈕，可以導(dǎo)出原理圖，這里選擇常用的AD格式，點(diǎn)擊【Design Document】按鈕，可以導(dǎo)出完整的設(shè)計(jì)報(bào)告，反復(fù)試了幾次，該設(shè)計(jì)報(bào)告無法下載，這里只導(dǎo)出了原理圖和BOM EXCEL表格供參考。
下面是系統(tǒng)生成的原理圖、效率圖、工作數(shù)值和BOM表的截圖：

通過效率圖可以看出，方案整體效率在輸出電流=0.05A時，已經(jīng)能達(dá)到90%以上，當(dāng)輸出最大0.5A時，效率最高可達(dá)93.909%。下面的截圖是工作數(shù)值和BOM表清單:

通過上面的圖表內(nèi)容，我們可以看到，TPS54229E芯片方案整體效率最高：93.909%。BOM元件數(shù)量：11個，成本：1.52美元，約9.6元，其中TPS54229E成本0.9美元，加上稅率在7元左右，意味著10元就能得到一個高效率的開關(guān)電源方案，是非常合適的。這個是理論的方案，那么這個芯片的實(shí)際表現(xiàn)如何呢？讓我們對它來一個實(shí)際測試吧： 【TPS54229E實(shí)際測試過程】
對于此芯片，理想工作狀態(tài)是：VIN=12V,工作溫度25℃。官網(wǎng)上有一個TPS54229EEVM的評估模塊，專門用于客戶評估TPS54229E芯片的性能。本人有幸得到了這么一個評估板，見下面圖片：

圖片中紅色圈起來的就是TPS54229E，該評估模塊帶有兩個接線端子，一個跳線開關(guān)，用于使能芯片功能。此評估模塊的電路原理圖如下：

這個評估模塊的默認(rèn)輸出電壓是: V=1.05V，可以通過調(diào)節(jié)R1和R2的阻值來得到不同的輸出。默認(rèn)情況下的測試圖如下：

上面的圖片是默認(rèn)情況下，空載輸出，測試電壓如圖，VOUT=1.0592V。

為了實(shí)現(xiàn)5V的電源輸出，需要計(jì)算一下R1和R2的阻值，并對板子上的電阻進(jìn)行替換。在TPS54229EEVM的說明書中，寫明：“For higher output voltages of1.8 V or above, a feedforward capacitor (C4) may be required to improve phasemargin.”,意思是，要想輸出1.8V以上的電壓，必須把原理圖中R1下面的C4焊上才行，默認(rèn)是不焊接的。這個是說明書中自帶的輸出電壓的阻容配置方案表：如下圖：

通過此表，我們可以看到,當(dāng)VOUT=1.05V時，R1=8.25K歐,R2=22.1K歐；當(dāng)VOUT=5V時，需要R1=124K歐，R2=22.1K歐，C4=5-22PF。按照上面那個公司：VOUT=0.765*(1+R1/R2)進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)R1/R2=5/0.765-1≈5.536，而按照這個表計(jì)算：R1/R2=124/22.1≈5.61。這個比值還是有誤差的,比公式值計(jì)算稍大一點(diǎn)。這個板子上焊的是0603封裝的電阻和電容，22PF電容有，但124K的電阻確難找，于是乎，將【電阻值/10】作為比值使用。這里采用了一個12K的電阻，另外找了一個2.2K和一個2K的電阻，這樣得到的比值分別為：R1/R2=12/2.2≈5.45; R1/R2=12/2=6，第一個組合比值比5.536小0.086，輸出應(yīng)該比較接近，大約5V；第二個組合比值比5.536大0.464，誤差大很多，輸出應(yīng)該大于5V，經(jīng)過實(shí)際測試，驗(yàn)證了猜想結(jié)果：
下面兩個圖分別是在R1=12K,C4=22PF的情況下，R2=2.2K和R2=2K的測試圖：

當(dāng)R2=2.2K歐時，VOUT= 4.9539V≈5V

當(dāng)R2=2K歐時，VOUT=5.3722V>5V，為了確認(rèn)，用另外一個表測試了一下，VOUT=6.34，這個表誤差大，平時測量5V的USB電壓都在5.9V左右，減去這個誤差，可以認(rèn)為兩個表的測試結(jié)果一致。
鑒于這種情況，果斷換下2K,重新?lián)Q上2.2K的電阻，進(jìn)行帶負(fù)載測試。因?yàn)閹лd測試的目的是為了驗(yàn)證實(shí)際效率和設(shè)計(jì)方案中的效率差距大小，這里僅進(jìn)行一個負(fù)載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較，沒有進(jìn)行多個負(fù)載的效率比較。剛開始選擇了一個MSP430板卡，結(jié)果上電后，發(fā)現(xiàn)輸入和輸出功率都非常小，MSP430的低功耗在這里顯現(xiàn)出來了，呵呵、后來又增加了4個功率電阻作為負(fù)載測試，測試圖如下：
輸入端電壓和電流測試圖：

這里沒有采用可調(diào)電源的度數(shù)，是因?yàn)閮烧邷y量的儀器不統(tǒng)一，可調(diào)電源顯示的數(shù)字輸出值是其設(shè)備對電壓測量的結(jié)果，這里統(tǒng)一采用萬用表進(jìn)行測算才是正確的。通過上面兩個圖我們可以看到，這里的輸入電壓：Vin=12.126V，Iin=0.0916A，那么輸入功率大?。?br /> Pin = Vin* Iin=12.126*0.0916=1.1107416W。
輸出端電壓和電流測試圖：

通過上面這兩個圖我們可以看到，這里的輸出電壓：Vout=4.9761V，Iout=0.1982A，那么輸出功率大?。?br /> Pout= Vout* Iout=4.9761*0.1982=0.98626302W。
最后我們可以得到這個開關(guān)電源在輸出電流Iout≈0.2A時的轉(zhuǎn)換效率；
η= Pout/ Pin=(0.98626302/1.1107416)*100%≈ 88.793%;
而利用TI WEBENCH平臺得到的芯片方案中，效率圖表如下：

從圖表上我們可以看大，當(dāng)Vin=12V,Iout=0.2A時，η=93.415%。這個實(shí)際效率和理論效率差接近5個百分點(diǎn)，這個當(dāng)然是由于評估板本身芯片和器件要消耗一部分能量了，在實(shí)際設(shè)計(jì)時，也會遇到這種情況的。
當(dāng)然，上面的測試只是一個點(diǎn)測試，如果要系統(tǒng)的比較，這個要耗費(fèi)太多的時間，也沒有那個意義了。
總結(jié)，從實(shí)際測試效果看，采用TPS54229E芯片的12V到5V芯片方案效率高、穩(wěn)定性好，是個非常不錯的電源選擇方案。對于一般應(yīng)用而言，5V到3.3V的LDO可以采用AMS117這種1元的芯片。這樣總體成本在10元左右就可以實(shí)現(xiàn)一個多功能控制板的理想電源方案了！