【我的WEBENCH得意之作】基于LMR12010的电池降压电路设计

linglong288 2015-6-28 23:08 楼主

一、需求分析

本科的同学在做智能车设计电路图时，遇到这样的一个问题。比赛规定的智能车电池为8.2V充电电池，其满电量下电压可能有接近8.5V，而放电将近结束时，电压可能降落到7V左右。除电机驱动部分外，系统控制板的元器件需要5V和3.3V电源，所以需要设置降压电路。

往常的做法是，使用LDO直接降压，这样做有两个明显的缺点：1.效率很低，如果8V直接降落到3.3V，则实际效率仅仅有41%左右；2.当电流比较大时，LDO发热严重。可以计算，如果8V直接降落到3.3V，电路大小在300ma左右，则LDO上发热功率为4.7*0.3 = 1.41w，这已经是一个比较大的发热量，往往使得LDO变得很烫很烫。为了避免这种情况，常常使用5V输出的LDO将电池电压降落到5V，再通过3.3V LDO将电压降落到3.3V，但是其实只是分散了发热，并没有从根源上解决问题。

我考虑的解决方案是，通过开关电源将电池电压降落到5V，解决板子上5V供电元件的供电。同时，再经过3.3V LDO降压到3.3V供给3.3V器件使用。

系统控制板上3.3V供电的核心元件是MCU，其对电源要求比较高，因此使用具有很大纹波抑制比的LDO。这样有助于提高MCU工作的稳定性。对于5V供电的器件，如果开关电源的输出纹波比较小，加上去耦电容的作用，同样可以实现器件的稳定运行。

二、具体要求

要求在智能车电池的放电周期内，开关电源模块能够提供宽范围的电压输入允许条件，可以稳定输出5V电压；
考虑到一定的裕度，要求该开关电源可以提供至少0.5A的稳定输出电流；
考虑到5V电源输出要直接供给部分芯片工作，要求电源稳定性要好，输出纹波应该小于50mv；
电源效率应该高于80%；
要求该电源可以稳定工作，同时尽可能减小体积。

三、参数确定

参数名称	设计要求
输入电压	7-10V
输出电压	5V
稳定输出电流	0.5A
输出电压纹波	小于等于50mv
电源连续工作时间	大于3小时
电源体积	尽可能小

四、WEBENCH工具使用

WEBENCH工作在TI官网首页打开。

在网页右下角，可以找到WEBENCH工具窗口。这里，具体使用流程如下：

输入电源要求

在步骤三中，确定了电源的详细参数要求，这里，直接输入参数即可开始设计：

选择解决方案

选择开始设计后，WEBENCH提供了总体解决方案的选择。很多网友的帖子也有说明了，分别是集成元件，集成芯片和控制器方案。开关电源属于基于集成芯片，同时需要一定的外部期间支持工作。这里，选择integrated解决方案。

芯片选型

选择integrated方案之后，WEBENCH给出了多种可选方案，这里，可以观测成本、bom面积和输出纹波等多种参数。可以看到，这里列出的大部分方案均可以满足设计要求。为了加快设计，这里选择了ti样片中允许申请的芯片LMR12010完成设计。在确定方案后，我就抓紧时间在ti官网申请了该样片。

WEBENCH工作空间内容分析

之后，可以点击进入WEBENCH设计工作空间，这里包含了多种内容，按照关注程序，在这里简单介绍一下。

原理图设计

这是一个buck电路，电路也是常见的类型。输出电压的确定通过调节反馈电阻的分压比实现。

这里非常奇怪的是，我看到BOOST端口竟然需要一路额外的5V供电！幸好，仔细分析datasheet以后，我发现这个并不需要，可以使用输入电压直接对boost端口供电。

PCB设计

TI提供了该设计的layout参考，对于开关电源，layout往往起到了决定成败，决定性能。例如，对于SW端口的二极管和电感等，应该距离该引脚比较近。这是因为，SW的开关频率往往很高，LMR12010的开关频率可以达到1.6MHZ，如果距离二极管或者电感距离比较远，则高频信号在PCB传输过程中会有很大的阻抗产生，甚至可能因此直接导致设计的失败。还有，电源路径走线应该保证宽度。

工作点参数

设计的电源有纹波和效率的要求，可以参考一下参考点的运行参数，看一下是否合乎要求。