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硬禾实战营项目展示——基于USB的供电设计
2015年05月20日
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硬禾实战营

一、设计目的

电压输入使用USB接口,使用简单的集成芯片,实现稳压、升压、降压等功能,使得输出分别为:+5v/100mA、+3.3v/300mA、+1.2v/1A、-5v/100mA。

二、设计方案

1.反向保护:

采用NMOS管型防反接保护电路,利用MOS管的开关特性控制电路的导通和断开,从而防止电源反接给负载带来损坏,采用此电路。

2.充电控制电路

LTC4090:该器件控制用于由USB外围设备的总电流操作和电池充电。2A电流输出与BAT-轨道TM自适应输出控制(负载电流变大,电池充电电流减小),使得所述负载电流之与充电电流之和不超过设定的输入电流限制。

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3.输出5V电路

输入电压可能有损耗,可以采用MC34063芯片将电压升到7v,然后经过LDO使得电压降到5v。

MC34063:输入电压范围:2.5~40v

输出电压可调范围:1.25~40v

输出电流可达:5A

该器件可用于升压变换器、降压变换器、反向器的控制核心,由它构成的DC/DC变换器仅用少量的外部元器件。

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①测取纹波电压(峰峰值)<5mV

纹波系数= 5/7000×100%=0.07%,满足一般硬件电路对电源的要求。

②工作频率:最高可达100kHz,最低100HZ

芯片的3脚(定时电容接口)外接定时电容,可调节振荡器的频率。

4.输出1.2v电路

使用降压芯片BD90571EFJ-C。

BD90571EFJ-C:一种同步整流型降压型DC / DC转换器,集成的P沟道和N沟道MOSFET输出可以提供1A的最大输出电流。

输入电压范围:2.69~5.5v

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5.输出3.3v电路

输入的5v电压与3.3v压差较小,使用LDO。

选型主要考虑到了:

1、考虑:封装、耐压值、耐流值、负载、精度等情况。

2、普遍性原则:所选的元器件要是被广泛使用验证过的,参考资源丰富,少使用冷门、偏门芯片,减少开发失误。

三、原理图

1、  控制好NET的数量;

2、  对一些精度要求比较高的元器件进行标注;

3、  元器件之间最好用导线连接,直接连接可能造成断路;

4、  注意原理图各个元器件名称与大小的摆放位置;

5、  BOM表的设置;

四、原理图库

1、  制造原理图库时,必须注意管脚标号,与其封装对应;

2、  制作原理图库时,必须设置好各个元件的Value、description等参数;

五、PCB

1、  各个模块的相关器件尽量靠近;

2、  合适的线宽(距离过远时,应该增加宽度来减小阻抗);

3、  布线不能过于靠近边缘;

4、  打孔的大小适中;

5、  注意各个元器件名称与大小的摆放位置;

6、  根据单板的主信号流向规律安排主要元器件;

7、  密度优先原则:从单板上连接关系最复杂的器件着手布线,从单板上连线最密集的区域开始布线。

六、焊接

焊接,对于我们来说是最基本的一项技能,就我们这次项目以及针对项目中出现的问题总结了以下经验:

1、  USB口的焊接:对于我们这个项目的USB口来说,由于只用到了电源线与地线,焊接比较简单,只把左右两个管脚焊接好保证不短接就行,但是实践过程中发现,在焊接时应该注意,不应该放的焊锡过多,否则焊锡会流入USB口,使得插得时候插不上。

2、焊接LED灯之前,先用万用表测一下是否会亮,排除偶然因素,并发现有标记的是负极。

3、焊接钽电容之前,用万用表测量,可以反向导通,钽电容有标记的为正极。

4、焊接的时候应该经常反思自己画PCB的失误与应该改进的地方:所放器件的距离应该适中,可远不可近,可能造成不必要的短路。

5、我在焊接的时候发现锡点容易形成尖锐的突尖:这多是由于加热温度不足或焊剂过少以及烙铁离开焊点时角度不当造成的。

七、各个模块的调试

1、输出5V电压模块的调试

问题:当电源管理芯片输出5V后,经过MC34063升压到7V的过程比较正常与稳定,但是经过LTC1117-5后输出了6V,出现了明显的误差。

调试:上电之后,仔细观察发现此线路对应的LED在断电之后,延长一定的时间才熄灭,分析是电容充放电的原因造成的。猜测是稳压芯片没工作,经过万用表测量,发现LTC1117-5输出虚接。

2、输出-5V电压模块的测试

问题:输出0V电压

解决:一般输出0V电压,很可能是由于断路造成的,应该先对芯片的相关引脚进行测量,然后是对周围的电容电阻进行测量,最后发现:其中一个电容本来应该与地相连,最后虚焊了。

3、输出1.2V电压模块的测试

问题:在这个模块里,输出的电压比较标准,出现问题的是该模块的电源指示灯不亮

解决:经过老师与同学的讨论与观察,发现了比较重大的问题:该线路中三极管的原理图管脚与与PCB库里封装的管脚序号不对应,造成把LED连接在了三极管的基极。

其他模块没出现问题,不再赘述。

八、性能测试

1、  负载能力测试

5V电压输出模块:实际输出:4.94V,

电流为:90mA,电压:4.92V;

电流为:100mA,电压:4.5V

 

3.3V电压输出模块:实际输出:3.3V,

电流为:300mA,电压:3.3V

电流为:400mA,电压:3.3V

电流为:500mA,电压:3.27V稍微有点变化

1.2V电压输出模块:实际输出:1.19V

电流为:1A,电压:1.15V

-5V电压输出模块:实际输出:-4.87V,

电流:30mA,电压:-4.5V

电流:50mA,电压:-4.3V

电流:100mA,电压:-3.7V

2、  纹波测试

纹波,输出电压交流分量的峰峰值。纹波过大降低信号的传输质量,破坏信号的正常传递,甚至损坏通信设备,所以必须对电源模块进行纹波测试,将其控制在一定范围内。

纹波系数=纹波电压/输出电压。

输出5V电压模块示意图:

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纹波12mV;

纹波系数:12mV/4.94V=0.24%;

 

输出3.3V电压模块示意图:

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纹波:20mV;

纹波系数:20mV/3.3V=0.6%

 

输出-5V电压模块示意图:

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纹波:21.6mV

纹波系数:21.6mV/4.87V=0.44%

 

输出1.2V电压模块示意图:

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纹波:20mV

纹波系数:20mV/1.2V=1.67%

直流电流电压纹波系数应不大于2%,经过对比与分析:各个模块的纹波在误差允许范围内。

(硬禾实战营学院:朱连连)

 

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