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硬禾实战营项目总结——USB电源报告
2015年05月20日
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硬禾实战营

硬禾第一个实战项目——基于USB输入的电源供电模块,要求学员根据要求进行芯片选型,满足电源输出要求,并细化电源结构、各部分电路设计,根据所给材料完成项目硬件开发,包括PRD(Product Requirement Document)、原理图设计、BOM表、PCB布局布线、焊接、调试、测试文档报告。

这篇文章将是一篇硬件设计和测试的介绍帖,或者厚着脸皮说是“技术贴”,比较偏向具体实现。

要求设计一个基于USB输入的电源供电系统,Micro USB输入, 4路直流电压输出,具体性能要求如下:

a)从USB连接器或接口输入供电;

b)可供锂电池充电,并支持电源控制管理功能,即有锂电池和没有锂电池;

输出4路电源要求:

c)+3.3V电压,直流输出,输出电流>=300mA;

d)+1.2V电压,直流输出,输出电流>=1A;

e)+5V电压,直流输出,输出电流>=100mA;

  1. f) -5V电压,直流输出,输出电流>=100mA;

g)可扩展用于其它电路供电电源的输出端口;

h)过压保护,过流保护,反向电压保护;

下面大概为大家介绍一下整个项目过程,其实周期只有大概2个星期,因此每个环节都比较紧,各个环节老师都会帮助Review并提出修改意见。

一、系统框图

整个系统由USB连接器或充电器作为输入端口,完成设计要求的电压、电流输出指标,系统框图应包括以下几部分:

1)+5V,100mA直流输出;

2)+1.2V,1A直流输出;

3)+3.3V,300mA直流输出;

4)-5V,100mA直流输出;

除此之外,还需要充电管理芯片完成充电控制电路,管理各电源输出和锂电池充放电过程。

大致框图如图1所示:

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图1 系统结构框图

框图中,USB Connector是电源输入端,接口为Micro USB,一般为+5V的电压输入;

Charging Control为电源管理芯片,也叫充电管理芯片;

Step up为升压电路,由升压芯片产生,再经过5V线性低压差调节器(LDO1)输出+5V电压,输出电流不小于100mA;

1 Cell Battery是一块锂离子电池或锂聚合物电池;

Step down是降压电路,由降压芯片产生,输出+1.2V,输出电流不小于1A;

LDO2是3.3V线性稳压输出,输出电流不低于300mA;

Inverting是电压反相电路,完成输出-5V电压,输出电流不低于100mA

二、原理图及PCB

具体细节就不展开说了,直接贴两张原理图和PCB吧,欢迎拍砖~

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图2电源管理原理图

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图3  4路电源输出原理图

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图4 PCB布局布线

 

三、焊接过程

1、焊接中,焊接难度最大的是QFN封装的电源管理芯片LTC4055-1,手工焊接较困难,容易引脚虚焊和短路;

2、Micro USB母座焊接后,插拔容易脱落,可以在引脚焊盘中上锡,并同时在贴片焊盘上加锡固定母座;

3、钽电容B、D型焊盘间距较小,元件正好挡住焊盘,手工焊接最好使用刀头烙铁;

4、LED、钽电容有极性,容易焊反,LED背面标记了正负极,钽电容正极标注了深颜色;

5、电路板上三极管Q1 9013的封装库与实物不一致,基极与射极封装画反,解决方法是将实物反着焊接,这是个严重的错误,在画封装库的时候一定要与实物或datasheet一致;

 

焊接前:
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焊接后:

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图5 焊接前后电路板

四、功能模块调试

对各功能模块分别测试,先焊接好电源管理模块,并上电,测量Micro USB 输入电压为4.92V,电源管理芯片LTC4055-1的输出电压为4.91 V;

U3,MC34063A——输入电压4.91V,输出电压6.86V;

U2,LTC1117-5——输入电压6.86V,输出电压5.01V;

U4,LTC1983-5——输入电压4.91V,输出电压-4.86V;

U5,LTC1117-3.3——输入电压4.91V,输出电压3.27V;

U6,BD90571EFJ-C——输入电压4.91V,输出电压1.19V;

 

J2接锂电池——充电结束后,锂电池电压4.13V;

锂电池单独供电,各路输出电压为:

U1,LTC4055-1——输入电压,输出电压为4.04 V;

U3,MC34063A——输入电压4.04V,输出电压6.85V;

U2,LTC1117-5——输入电压6.85V,输出电压5.01V;

U4,LTC1983-5——输入电压4.04V,输出电压-3.98V;

U5,LTC1117-3.3——输入电压4.04V,输出电压2.96V;

U6,BD90571EFJ-C——输入电压4.04V,输出电压1.20V;

 

五、联合调试

该部分主要对整个电路板进行测试,包括输出电压测量、输出电压纹波测试、输出负载能力测试

1.        电压测试

测试仪器:万用表

要求输出 +5V -5V +3.3V +1.2V
实测输出 +5.02V -4.86V +3.28V +1.19V
偏差 +0.4% +2.8% -0.6% -0.8%

测试每路输出电压,-5V偏差最大,其余3路偏差较小,几乎与要求输出一致。

2.        纹波测试

测试仪器:示波器、电子负载、万用表;

设定示波器为交流耦合,边沿触发,通道1输入,4路电压输出纹波参数如下图

(1)负载电流为40mA,+5V输出电压纹波Vpp=64.0mV;

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图6  +5V电压输出纹波参数

(2)负载电流为10mA,-5V输出电压纹波Vpp=184mV;

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图7  -5V电压输出纹波参数

(3)负载电流为40mA,+3.3V输出电压纹波Vpp=49.6mV;

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图8  +3.3V电压输出纹波参数

(4)负载电流为100mA,+1.2V输出电压纹波Vpp=11.0mV;

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图9  +1.2V电压输出纹波参数

3.        负载能力测试

测试仪器:直流电源负载仪

(1)MicroUSB输入供电,各路输出带负载能力如下表:

+5v -5V +3.3V +1.2V
10mA 5.02V 10mA -4.86V 10mA 3.28V 10mA 1.19V 700mA 1.16V
20mA 5.02V 20mA -4.63V 50mA 3.27V 50mA 1.19V 800mA 1.16V
30mA 5.02V 30mA -4.51V 100mA 3.26V 100mA 1.19V 900mA 1.16V
40mA 5.02V 40mA -4.39V 150mA 3.25V 150mA 1.18V 910mA 1.16V
50mA 5.01V 50mA -4.27V 200mA 3.24V 200mA 1.18V 920mA 1.16V
60mA 5.01V 60mA -4.14V 250mA 3.23V 250mA 1.18V 930mA 1.16V
70mA 4.90V —— —— 300mA 3.22V 300mA 1.18V 940mA 1.16V
80mA 4.37 —— —— 350mA 3.20V 400mA 1.17V 950mA 0.22V
90mA —— —— —— 400mA 3.18V 500mA 1.17V —— ——
—— —— —— —— 410mA 1.26V 600mA 1.17V —— ——

表1  4路负载能力情况

负载电流恒定,输出电压下降标称电压的5%时,此时电流认定为负载极限,从表1可以看出:

+5V负载在80mA,输出电压下降至4.37V,因此+5V负载额定电流为70mA,不满足设计要求的100mA;

-5V负载额定电流只有将近30mA,不满足设计要求的100mA;

+3.3V负载额定电流可达400mA,满足设计要求的300mA;

+1.2V负载额定电流可达940mA,基本满足设计要求的1A;

综上,+5V,-5V输出不满足最大负载设计要求,+3.3V满足最大负载设计要求,+1.2V基本满足最大负载设计要求。

 

(2)4.2V锂电池供电,各路输出带负载能力如下表:

+5v -5V +3.3V +1.2V
10mA 5.02V 10mA -3.68V 10mA 2.88V 10mA 1.20V 700mA 1.17V
20mA 5.02V 20mA -3.57V 50mA 2.81V 50mA 1.19V 800mA 1.17V
30mA 5.02V 30mA -3.45V 100mA 2.76V 100mA 1.18V 900mA 1.17V
40mA 5.02V 40mA -3.33V 150mA 2.71V 150mA 1.17V 910mA 1.16V
50mA 5.02V 50mA -3.22V 200mA 2.65V 200mA 1.17V 920mA 1.16V
60mA 4.43V 60mA -3.09V 250mA 2.60V 250mA 1.17V 930mA 1.16V
70mA 3.70V —— —— 300mA 2.54V 300mA 1.17V 940mA 1.16V
80mA 3.24V —— —— 350mA 400mA 1.16V 950mA 1.16V
90mA 2.66V —— —— 400mA 500mA 1.17V 960mA 1.16V
100mA 2.36V —— —— 410mA 600mA 1.17V —— ——

 

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图10 电源模块上电照片

五、总结

USB Power Supplies电路板所有流程基本完成,满足了4路输出电压要求,输出负载能力有待进一步提高,在器件选型时,有一些重要参数未能考虑周全,导致设计的电路不能满足所有性能指标要求,比如电感L1,L2选型时,未考虑额定电流是否能满足输出的最大负载电流,另外在PCB布局和封装库的建立上需要提高,还不能达到规范要求,尤其是细节的考虑。第一个项目虽然难度不大,但是整个设计流程都严格按照规范来进行,规范是导师们一直着重强调的技能,在实际硬件设计中举足轻重。

(硬禾实战营学员:庄严)

 

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