板級電源設計之DCDC電源管理晶元選型

在單板硬體設計中，板級電源的設計是重中之中。如果設計不好造成電源紋波、雜訊、負載波動不符合標準，高溫情況下晶元晶元結溫過高，會降低系統的運行穩定和可靠性。本文主要介紹單板電源中DCDC電源管理晶元選型：

首先，需明確系統對電源要求：

如輸入電壓、供電電壓、紋波要求、負載波動、負載電流、最高工作溫度等。本文假設系統輸入電壓5.0V；供電電壓3.3V；紋波要求：±1%；負載波動：±5%；負載電流：2A；最高工作溫度+85℃（工業級產品的基本要求）。

其次，DCDC電源管理晶元選型：

本文以比較常用的TI兩款晶元為例進行介紹，分別是LM2853和TPS54620。

查看器件的datasheet，先看輸入電壓及最大輸出電流是否符合要求，如表1，兩者均滿足要求。

表1

下面我們根據最重要的一條來決定兩個晶元誰更適合本應用設計----最高工作溫度下的晶元晶元結溫。

根據工程設計經驗，一般DCDC電源管理晶元（內置MOS）的晶元損耗Ps=Vout*Iout*(1-Eff)/Eff，其中Ps：晶元損耗功率，Vout：輸出電壓，Iout：輸出電流，Eff：轉換效率。Eff在不同輸入電壓及輸出電流情況下有較大區別，需要查看datasheet確定。圖1為LM2853轉換效率，圖2為TPS54620轉換效率。

LM2853在5V輸入，3.3V輸出時效率約為92%。TPS54620雖然圖中沒有5V輸入曲線，工程可以最接近的8V曲線估計效率約為95%。

圖1 轉換效率

圖2 轉換效率

根據公式Ps=Vout*Iout*(1-Eff)/Eff估算功耗：LM2853：Ps=3.3*2*0.08/0.92=0.57W；TPS54620：Ps=3.3*2*0.05/0.95=0.35W。

查找手冊確定晶元的最大晶元溫度以及熱阻，LM2853如圖3，TPS54620如圖4。

圖3-1結溫極限

圖3-2熱阻

圖4-1結溫及極限

圖4-2熱阻

通常晶元晶元結溫計算公式為：Tj=Ta+(Ps*θja)，其中Tj：晶元結溫，Ta：環境溫度，θja：晶元熱阻。根據晶元功耗及熱阻，計算在最高溫度時晶元晶元結溫：

LM2853： Tj=85℃+(0.57W*38℃/W)=107℃，與最大工作結溫相差18℃。

TPS54620：Tj=85℃+(0.35W*32℃/W)=96℃，與最大工作結溫相差54℃。

通常DCDC電源管理晶元內部有高溫保護設計，當晶元晶元結溫過高時會停止晶元工作，並且晶元長時間過高溫度工作也會降低晶元壽命，所以從系統可靠性的角度出發，原則上對於電源管理晶元在最高溫度下長時間工作的結溫應該與最大工作結溫留有20℃左右的限額。為此通過上述分析，LM2853：雖勉強滿足設計要求，但從系統的可靠性角度TPS54620更為合適。

本文的目的在於學習交流，分享如何進行晶元選型，不存在晶元的優劣對比。

下一篇將詳細介紹DCDC電源管理晶元電路參數設計與計算，見《板級電源設計之DCDC電源管理晶元電路設計》。