【实战】一个Buck电路设计的完整过程

设计需求：

硬十开发的一块基于安路EG4X20BG256的FPGA板卡。该系统应用于一个USB传输，可以进行多通道ADC数据采集的项目。

整体框图如下：

实物如下：

1、Buck控制器选型

电源框图制作过程，可以参考前期文档：

硬件总体设计之 “专题分析”

我们可以看到在电源树中，分别需要实现：

5V→3.3V@2A

5V→1.2V@2A

5V→2.5V@2A

此处我们选型的Buck电源控制器（集成Mosfet）是杰华特的JW5359

从Datasheet我们可以看到：

1、输入电压范围满足要求4.5V~18V

2、输出电流可以达到2A，满足要求。

3、效率达到95%

4、支持轻载模式FCCM、PFM

5、开关频率600kHz

如下图 所示为本模块的电路原理图，具体内容可以简化为输入部分、控制部分、输出部分以及反馈部分。输入部分:电容C1电阻R1、R2;控制部分:JW5359M芯片以及自举电路C2;输出部分:电感L、电容C3、C4;反馈部分:电阻R3、R4以及电容C5。

电源模块原理图

本模块需要实现一个DC-DC的电源转换功能，其输入为5V，输出为3.3V/2A。选择JW5359M这款芯片，JW5359M的输入范围为4.5V-18V之间，输出电压范围为0.765V-VIN*Dmax,最大输出电流2A。JW5359M的特点有: 基于I2架构的单片降压开关稳压器、开关频率为600KHZ、内部软启动、效率高达95%以及热保护等。如图1.2所示为其引脚图。

GND:接地端

SW:开关输出引脚

VIN:电源输入端，并接一个电容来储能和去耦

FB:反馈端

EN:使能引脚端

BST:自举电容的引脚端，在SW和BST引脚之间接一个0.1uF的电容以形成浮动电压来驱动JW5359M内上端的开关管。BST电容失效，芯片会过热或者不能工作。

选择此颗芯片的主要原因：

a、能供得上货

b、已经完成批量发货，经过市场检验

c、价格有优势

d、国产芯片

e、温度范围ok

2 电容选型

2.1输入电容选型

输入电容的主要目的是储能和滤波，以防止输出需要大电流的时候，外部供电模块来不及供电，从而导致输出电压跌落的现象。

根据JW5359M的数据手册可知输入电容的计算公式1:

公式1:

Buck电路开关电源的输入电容应该选多大？

ILOAD为输出电流2A，fs为开关频率600KHZ，C1为输入电容，Vout为输出电压3.3V，VIN为输入电压5V，△VIN为输入纹波电压。本模块JW5359M数据手册中推荐的22uF的贴片陶瓷电容，可计算出△VIN为34mV。在选择输入电容的时候首先要保证电容的耐压值为供电模块的1.5倍。这里选择一个22uF/10V的X5R或X7R贴片陶瓷电容。输入电容器可以是电解的、钽或陶瓷的。为了减少潜在噪声，在使用电解电容器时，应尽可能放置一个小型X5R或X7R陶瓷电容器，例如0.1uF/10V的贴片陶瓷电容来滤除输入直流电压中的高频信号。

电容上本身的ESL并不大，但是经常会有因为输入电容较远或者地线较远引入较大的ESL在输入端引起较大的尖峰，导致芯片供电异常或者芯片MOSFET过压击穿。

2.2输出电容选型

关于Buck电源的输出电容的容值如何计算？

输出滤波电容值可通过计算得到，但是一般在选择电容值的时候通常会选择1.2-2倍计算出的电容值或选择更大的电容量，在PCB面积允许的条件下最好多个电容并联。由于输出滤波电容和输出电感会形成两个极点，这会导致电路输出不正常，具体表现为输出纹波较大、输出上升沿有强烈的振荡等。所以在选择电容值的时候也要适当考虑电感值。由JW5359M数据手册可知输出电容和公式2相关：

公式2:

L为输出滤波电感，RESR为输出电容器的等效串联电阻值，COUT为输出电容值。故根据输出纹波的要求可大致得到输出电容的大小，在选择电容的时候一般都会选择电容值更大点的电容。对于开关电源模块，电源自身会产生和开关频率一致的电源纹波，始终叠加在电源上输出。输出纹波也会由输出电容的内阻所引起，不断的给输出电容充放电，充电电流在输出电容的内阻RESR两端就会有压降，这个就会产生输出纹波，所以在选择输出电容的时候尽量选择RESR较小的贴片陶瓷电容而不是电解电容，选择几个电容并联也是为了降低输出内阻。控制回路的响应较快（COT），开关频率较高，或者负载变化不大的场合用瓷片电容即可。本模块选择两个22uF/6.3V的贴片陶瓷电容并联，可以减小RESR。△Vout计算约11mV。

3电感选型

【开关电源系列】Buck电路选择输出电感

输出电感的主要作用是用来稳定输出电流以及储能，输出电感和输出电容组成的LC滤波电路主要用来平滑输出电压，使输出电压是一个稳定的直流。在选择输出电感的时候，除了要考虑电感值的大小外更要考虑电感所能抑制的电流值。对于BUCK开关变换器的输出电感的电流额定值最少是1.2倍的输出电流。电感电流额定值最少为超过负载电流的30%。对于大多数的设计，电感值可由公式3得到:

公式3:

△IL为电感的斜坡电流，其大小一般为电感电流最大值的30%。根据手册选择电感为3.3uH 。我们用的是NR5040-3.3UH，其额定电流可达3.4A。

4、电阻选型

反馈部分电阻的选择，JW5359M通过外接反馈电阻形成一个闭环的电路，从而使输出稳定在3.3V。通过R3和R4的分压得到反馈电压，FB感知输出电压，并由控制回路调节到0.765V。在FB处连接一个电阻式分频器。数据手册中推荐R4的大小在16KΩ左右，本模块选择16KΩ。故R3可由公式4得:

公式4：

由于Vout=3.3V，选择R3=53KΩ。通常考虑到未来相位裕量和响应速度的调整，可以根据规格书的推荐预留前馈电容C5的位置。

使能电阻R1、R2的选择。EN引脚用来控制芯片是否工作，当VIN降至预设值时，EN降至1.05V以下以触发输入欠压锁定保护。根据手册推荐R1和R2选择100KΩ。

5、最终原理图：

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• 6、 Layout设计

（1） VCC电容应就近放置在芯片的VCC管脚和芯片的信号地之间，尽量在一层，没有过孔对于信号地（AGND）和功率地PGND在一个管脚的芯片，同样就近和该管脚连接以减少寄生电感的存在，因为输入电流不连续，寄生电感引起的噪声对芯片的耐压以及逻辑单元造成不良影响。高频环路的环路越小，磁场能量越小。如图2.1

（2） FB是芯片最敏感，最容易受干扰的部分，是引起系统不稳定的最常见原因

1. FB电阻连接到FB管脚尽可能短，减少噪声的耦合

2. 远离噪声源，SW点（开关节点），电感，二极管（非同步buck）

3. FB的下分压电阻通常接信号地AGND

   
   

   

（3） 同步BUCK的方式，续流路径要经过芯片的GND管脚，输入电容要接在芯片的GND和Vin之间，路径尽可能的短粗。

（4） 放置电感不需要和放置输入电容一样距离IC那么近，以最小化开关节点的辐射噪声。一般不建议电感下面铺铜，接地层出现的涡流会导致电感的感量变小。电感下不同的PCB设计如图2.1

（5） 输出滤波电容尽可能的靠近电感。高频环路的环路越小，磁场能量越小。图2.2

（6） SW点是噪声源，保证电流的同时保持尽量小的面积，远离敏感的易受干扰的位置。减小节点面积和更换体积更小的电感，可以减弱电场场强，如图

7、测试

电源纹波测试

输入电压测试

本次测试使用的设备有：电脑USB接口、鼎阳牌SDS1102X-C数字示波器以及万用表。

图为SDS1102X-C数字示波器,图3.12为FPAG开发板。

SDS1102X-C数字示波器

电路板上电

如图所示为5V输入电压的测试波形，从示波器上可以看出，输出电压为5V直流电压。

输入电压测试图

下图为输入电压的纹波测试图，是通过把示波器的耦合方式选择交流耦合测试出来的。从示波器上可以读出，输入电压纹波的峰峰值为43.2mV。

输入纹波测试图

下图所示为输出电压上电的测试图，从示波器上可以看出，输出电压最大值是3.40V，输出电压上升沿平缓，没有振铃和电压过冲等现象。

输出电压上电测试图

下图为输出电压的纹波，从示波器中可以看出，纹波的峰峰值为44mV

输出纹波测试图