去年做一塊車載傳感器采集板時我碰上一個挺磨人的供電問題板上只有一路5V輸入?yún)s要同時給運放供±12V、給繼電器驅(qū)動供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壓不住。后來翻到LT8580的數(shù)據(jù)手冊發(fā)現(xiàn)這是一顆少見的單片式多拓?fù)滢D(zhuǎn)換器內(nèi)部集成6A/44V功率開關(guān)只需改外部電感、二極管、電容的接法就能分別實現(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)涞碾娐酚嬎?、元件選型、PCB布局和實測調(diào)試過程完整過一遍順帶把我踩過的坑都擺出來。1. 一顆芯片三種活LT8580的多拓?fù)浼軜?gòu)是怎么實現(xiàn)的1.1 Boost、SEPIC、Inverting到底差在哪很多人一看多拓?fù)淙齻€字就覺得高深其實剝開來看這三種電路都是開關(guān)管、電感、二極管、電容的組合。你只要搞清楚每個元件的接法和能量走向三種拓?fù)涞淖匀痪屯恕oost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關(guān)管從電感后端接地。開關(guān)導(dǎo)通時電感蓄能開關(guān)斷開時電感上的感應(yīng)電動勢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L1中間串一個耦合電容Cs再經(jīng)過L2輸出。它的特點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范圍大的場景比如鋰電池從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。它同樣使用一個電感但電感和開關(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電感個數(shù)12或耦合電感1典型場景5V升12V電池范圍轉(zhuǎn)穩(wěn)定電壓正轉(zhuǎn)負(fù)給運放供電占空比公式(CCM)(Vout-Vin)/VoutVout/(VinVout)|Vout|/(Vin|Vout|)1.2 LT8580的SW引腳開漏開關(guān)帶來的拓?fù)渥杂啥萀T8580能一芯三用核心在于它的SW引腳是開漏結(jié)構(gòu)內(nèi)部是一個N溝道功率MOSFET源極接GND漏極引到SW。這種結(jié)構(gòu)跟外面怎么接無關(guān)開關(guān)管永遠(yuǎn)只是把SW拉到地或者釋放SW兩個動作。在Boost模式下SW接電感和二極管陰極開關(guān)導(dǎo)通時電感充電到地開關(guān)關(guān)斷時二極管續(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)點開關(guān)導(dǎo)通時兩個電感都儲能關(guān)斷時都釋放SW節(jié)點電壓被二極管鉗位在Vout方向形成一個正壓輸出。在Inverting模式下SW更特別它直接作為負(fù)電壓輸出節(jié)點。開關(guān)導(dǎo)通時電感從VIN經(jīng)SW到地儲能開關(guān)關(guān)斷時電感電流必須維持原來的方向SW節(jié)點會被強制拉低到負(fù)電位然后通過二極管從地0V回路續(xù)流。這時候負(fù)載就接在GND和SW之間SW對地就是負(fù)電壓。這種開漏結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢是外部電路可以決定SW節(jié)點的電壓極性芯片內(nèi)部不需要為每種拓?fù)渥霾煌尿?qū)動邏輯。你用LT8580做反相本質(zhì)上和做升壓是同一套開關(guān)動作只不過外部把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是比較器的一個輸入端。輸出電壓通過電阻分壓后送到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取中間點讓FB等于1.25V也就是用電阻把-12V抬升到1.25V。實際計算時只要保證負(fù)壓在分壓點上的比例對應(yīng)1.25V即可。這一條反饋設(shè)計讓三種拓?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)計的高明之處把拓?fù)洳町惛綦x在功率級控制級統(tǒng)一處理。2. 三種拓?fù)涞脑嬎闩c選型思路2.1 Boost模式5V升12V1A的完整計算Boost是我在一開始項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的壓降實際輸出電壓目標(biāo)要按12.4V算因為FB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開關(guān)頻率取1MHzL Vin × D / (fsw × ΔIL) 5 × 0.597 / (1e6 × 0.4) ≈ 7.46μH實際取標(biāo)準(zhǔn)值10μH?；仡^驗算一下紋波電流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)部開關(guān)電流限制是6A給足了一倍余量工作很穩(wěn)。開關(guān)管峰值電流也是電感峰值電流所以整個設(shè)計要保證IL_Peak ΔIL/2不超過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不同因為兩個電感分擔(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有兩個電感。從設(shè)計習(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實際取4.7μH飽和電流要高于3A。注意L1、L2如果選兩個獨立電感磁路彼此獨立紋波電流按照上面公式算就沒問題。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)紋波實際效果更好但驅(qū)動電路要注意耦合電感兩繞組的同名端方向接反會導(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電容兩個并聯(lián)能有效降低電容上的電壓紋波。這個電容不要圖省事用體積太小的RMS電流過大會發(fā)熱。SEPIC的輸出電流能力和開關(guān)峰值電流的關(guān)系更復(fù)雜。開關(guān)導(dǎo)通時兩個電感同時通過開關(guān)管放電開關(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開關(guān)限制下1A級別負(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時理論極限輸出電流約等于6A×(1-D)3A實際留一半余量做到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)點不是地輸出電容正極接地負(fù)極接SW。很多人第一次畫這個電路容易把電容極性畫反一上電電容直接炸。選電容時耐壓按|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不同陽極接SW負(fù)輸出端陰極接GND。開關(guān)關(guān)斷時二極管導(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模式看兩個電感各自的平均電流電感受溫度影響高溫下飽和電流會下降熱設(shè)計上要留余量二極管方面推薦全部用肖特基管反向恢復(fù)時間短開關(guān)損耗小。反向耐壓要覆蓋開關(guān)關(guān)斷時SW節(jié)點的最大電壓拓?fù)涠O管反向耐壓要求推薦耐壓Boost≥ Vout40VSEPIC≥ Vin Vout40VInverting≥ |Vout| Vin30V~40VLT8580內(nèi)部開關(guān)最大耐壓44V所以二極管耐壓和SW節(jié)點尖峰必須嚴(yán)格控制。PCB寄生電感和漏感會在SW節(jié)點產(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盡量縮小開關(guān)環(huán)路面積。3. PCB布局與熱設(shè)計三種拓?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的開關(guān)頻率可以到2.5MHz頻率越高寄生電感對環(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。這個環(huán)路在開關(guān)導(dǎo)通時流過最大di/dt面積大了會產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。布局時輸入電容必須緊靠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模式多了一個耦合電容Cs又多了一個環(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我栽過的跟頭Inverting模式下GND并不等于干凈地。負(fù)載的電流從GND流向負(fù)輸出端這個地平面上的電流是直流偏置的開關(guān)脈沖。如果反饋網(wǎng)絡(luò)接到地平面的位置不對反饋信號就會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單獨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走一個主功率地一個信號地然后在芯片GND引腳處單點匯合。另外Inverting模式下SW引腳上疊加的是負(fù)電壓脈動波形示波器測量時探頭地不能直接夾在GND端否則會引入地回路噪聲。正確做法是探頭用彈簧地針直接點在SW附近的GND焊盤上。3.3 SW節(jié)點散熱與噪聲的平衡LT8580內(nèi)部開關(guān)損耗和電感銅損最終都轉(zhuǎn)化為熱量。SW節(jié)點是功率開關(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和銅箔就是散熱路徑。SW節(jié)點的銅箔面積要適當(dāng)加大但也不能無限大因為SW節(jié)點是高頻噪聲源大面積銅箔相當(dāng)于一個天線會輻射電磁噪聲。我常用的折衷辦法是SW節(jié)點銅箔設(shè)計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要開多個過孔到內(nèi)層地平面增強導(dǎo)熱。三種拓?fù)鋵W節(jié)點熱的要求略有差異Boost模式SW節(jié)點在二極管反向恢復(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)計不然熱量走不掉。4. 調(diào)試實測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之后我沒有直接畫PCB而是先在LTspice里搭了三種拓?fù)涞姆抡?。LTspice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。仿真最大的價值不是精確預(yù)測效率而是驗證占空比、電感和電容取值的方向是否正確以及觀察SW節(jié)點電壓應(yīng)力。我習(xí)慣在仿真里放一個階躍負(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 反相啟動時輸出被拉在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左右明顯沒進(jìn)入正常工作狀態(tài)。排查了反饋分壓、焊接、電感都沒問題。后來用示波器看SW節(jié)點波形發(fā)現(xiàn)芯片在嘗試啟動但每次電感電流還沒建立起來就觸發(fā)了過流保護然后重啟形成周期性的打嗝。問題出在軟啟動電容上。Inverting模式下啟動瞬間輸出電容要從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啟動瞬間如果占空比被輸出電壓拉得很大電感電流會迅速沖到開關(guān)限流點。解決辦法是把軟啟動電容從原來手冊典型值的0.1μF加到1μF讓輸出緩慢建立同時減小了啟動浪涌。類似的問題也可能發(fā)生在SEPIC模式下因為SEPIC有兩個電感和一個耦合電容啟動時耦合電容需要充電瞬態(tài)電流比Boost更復(fù)雜。軟啟動電容加大一檔基本能解決。4.3 紋波偏大和示波器測量的誤導(dǎo)有一版Boost電路在開關(guān)頻率1MHz下輸出紋波始終在80mV左右比預(yù)期高很多。一開始以為輸出電容不夠并聯(lián)了好幾顆紋波沒怎么降。后來換用帶彈簧地針的示波器探頭測量點直接壓在輸出電容引腳上紋波立刻降到25mV。原來之前用的長地線夾子在1MHz頻率下形成一個大環(huán)路探頭地線本身就把高頻輻射撿進(jìn)來了測出來的根本不是真實的輸出紋波。這是一個很常見的測量誤區(qū)。測開關(guān)電源紋波時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。真正常見的輸出紋波來源是電感電流紋波流過輸出電容ESR產(chǎn)生的電壓起伏以及開關(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RC吸收電路R取幾歐C取幾百皮法到幾納法具體通過頻譜儀或示波器觀察振鈴頻率來調(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產(chǎn)生音頻頻段的嘯叫。我在0.1A負(fù)載時遇到過一次輸出端能聽到輕微的嘶嘶聲。這不是芯片壞了而是輕載時脈沖頻率落進(jìn)了人耳可聽范圍內(nèi)。解決辦法有兩種。一種是在輸出端加一個假負(fù)載把電流拉到0.3A以上讓芯片退出脈沖跳躍區(qū)但缺點是待機功耗會增加。另一種是利用LT8580的外部同步功能用一路外部時鐘信號把開關(guān)頻率強制釘在1MHz這樣即使輕載脈沖頻率也不會落到音頻段。我在設(shè)計板上預(yù)留了一個測試點方便調(diào)試時接外部信號源。如果量產(chǎn)不允許額外信號源也可以做一個極簡的時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開關(guān)帶來的是功率等級上的優(yōu)勢LT8580內(nèi)部開關(guān)是6A/44V這是它最大的賣點。同類多拓?fù)湫酒鯞oost輸出電流通常在幾百毫安級別而LT8580在12V輸入、Boost到24V輸出時可以做到1A以上的輸出電流。做Inverting時理論的輸出電流上限是開關(guān)峰值電流乘以(1-D)在±15V對轉(zhuǎn)場景下能帶