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【我是工程師第三季】99%效率高功率密度電源挑戰(zhàn)設(shè)計(jì)分享

先來說說設(shè)計(jì)這款電源的背景：

應(yīng)朋友的需求，設(shè)計(jì)一個(gè)筆記本用車載電源，同時(shí)需要支持獨(dú)顯筆記本，輸入電壓為DC19V。

于是，初定規(guī)格為：

輸入：DC12V（10~15V）

輸出：DC19V/5A（按約100W來定義的電流）

體積當(dāng)然是越小越好了。。。

在淘寶上搜得了一款外殼，淘回來實(shí)測尺寸為：L59.8mm*W36.0mm*H16.9mm

根據(jù)內(nèi)尺寸預(yù)留單邊0.2~0.3mm間隙，PCB尺寸為L50.0*W30.5mm

于是就開始設(shè)計(jì)了。。。。

初定目標(biāo)效率99%，下面報(bào)告下最近的進(jìn)度：

實(shí)物圖：


_T_09147

尺寸只有2枚硬幣的大小哦。

上周剛采用是德科技新發(fā)布的DSOX1102G示波器進(jìn)行了環(huán)路調(diào)試，調(diào)試心得在“是德征文”活動(dòng)中做分享：

鏈接：

http://www.laiyangyintong.cn/bbs/1539174.html


是德征文活動(dòng)鏈接：

http://www.laiyangyintong.cn/bbs/1537870.html

DSOX1102G的誘惑力很大，所以昨天我已經(jīng)發(fā)了一帖，還望大家多多交流：

http://www.laiyangyintong.cn/bbs/1539145.html

關(guān)于DSOX1102G示波器的測評(píng)請看：

http://www.laiyangyintong.cn/bbs/1538956.html


環(huán)路的優(yōu)化進(jìn)一步提高了這款電源的穩(wěn)定性，同時(shí)效率提升了0.13%，目前的效率達(dá)到了98.36%

接下來的準(zhǔn)備采用英飛凌最新的第5代MOSFET，看看效率的提升。

調(diào)試過程中也遇到了些小插曲，稍后整理下做詳盡的分享。。。


。。。。。。下接第13帖。。。。。。

（哈哈，打個(gè)預(yù)防針，不要問用的什么方案，你可以猜，或者等到第100樓公布）

全部回復(fù)(114)
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2017-03-04 12:16
前排強(qiáng)勢占沙發(fā)
0
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jiame2006
LV.7
3
2017-03-04 12:17

不錯(cuò)，期待分享。

“輸入電壓為DC19V?！边@里是否是輸出電壓？輸入一般12V。

0
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2017-03-04 12:32
@jiame2006
不錯(cuò)，期待分享?！拜斎腚妷簽镈C19V?！边@里是否是輸出電壓？輸入一般12V。
筆記本輸入19V，所以車載電源的輸出是19V
0
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2017-03-04 12:57
多相交錯(cuò)boost？
0
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2017-03-04 13:53
@夜的第七章
多相交錯(cuò)boost？
100W不到，沒必要多相吧，又不是1V輸出的那種BUCK
0
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2017-03-04 16:23
這效率，牛逼，只是沒短路保護(hù)啊，這個(gè)怎么破
1
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2017-03-04 16:27
@xd285070
這效率，牛逼，只是沒短路保護(hù)啊，這個(gè)怎么破[圖片]
必須有啊，盡在一顆Fuse搞定
1
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2017-03-04 23:35
太牛了,膜拜
0
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2017-03-05 17:14
@javike
100W不到，沒必要多相吧，又不是1V輸出的那種BUCK
同步整流？
0
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ghsdwf
LV.6
11
2017-03-06 08:50
@夜的第七章
多相交錯(cuò)boost？
從PCB布線和效率99%的需求看，應(yīng)該是同步Boost
0
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pads2005pcb
LV.7
12
2017-03-06 15:18
@bluesky5417
太牛了,膜拜
沒看到測試數(shù)據(jù)
0
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2017-03-07 10:34

。。。。。。上接第1帖。。。。。。


先說說插曲吧

從手機(jī)里翻出了當(dāng)時(shí)用手機(jī)隨手拍的一張照片


對(duì)比前后照片，除了不能分辨參數(shù)修改的小電阻、電容、MOSFET外，大電容和電感可以很容易分辨出來


先說是大電容吧

第1版的大電容用的AVX的MLCC，原本認(rèn)為起高頻特性比較好，很合適。

但上電測試后非常失望：

輸出19V5A帶載2個(gè)小時(shí)，輸出的2顆MLCC溫度達(dá)到120+度（環(huán)境溫度17-18度）

而效率只有不到94%

在超載120%負(fù)載測試中（19V/6A），MLCC爆掉了。


0
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2017-03-07 10:36
@javike
。。。。。。上接第1帖。。。。。。先說說插曲吧從手機(jī)里翻出了當(dāng)時(shí)用手機(jī)隨手拍的一張照片[圖片]對(duì)比前后照片，除了不能分辨參數(shù)修改的小電阻、電容、MOSFET外，大電容和電感可以很容易分辨出來先說是大電容吧第1版的大電容用的AVX的MLCC，原本認(rèn)為起高頻特性比較好，很合適。但上電測試后非常失望：輸出19V5A帶載2個(gè)小時(shí)，輸出的2顆MLCC溫度達(dá)到120+度（環(huán)境溫度17-18度）而效率只有不到94%在超載120%負(fù)載測試中（19V/6A），MLCC爆掉了。[圖片]

上2張MLCC的照片：

（請注意：以下照片比較血腥，可能引起部分人群不適）




輸出的2顆MLCC是前仆后繼的節(jié)奏爆掉

而且動(dòng)作還比較慢，能看出電容從左端開始爆裂，然后延伸到右端。

0
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2017-03-07 10:40
@javike
上2張MLCC的照片：（請注意：以下照片比較血腥，可能引起部分人群不適[圖片]）[圖片][圖片]輸出的2顆MLCC是前仆后繼的節(jié)奏爆掉而且動(dòng)作還比較慢，能看出電容從左端開始爆裂，然后延伸到右端。

接下來對(duì)LCR進(jìn)行預(yù)熱2小時(shí)，

自校正后測試手里全新的MLCC樣品


通常高頻電容的測試頻率都是按1KHZ測量，而這款電源的工作頻率為500KHZ左右，

所以LCR設(shè)置從1KHZ開始掃頻到1MHZ，重點(diǎn)掃頻幾百KHZ段。

1
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2017-03-07 10:41
@javike
接下來對(duì)LCR進(jìn)行預(yù)熱2小時(shí)，自校正后測試手里全新的MLCC樣品[圖片]通常高頻電容的測試頻率都是按1KHZ測量，而這款電源的工作頻率為500KHZ左右，所以LCR設(shè)置從1KHZ開始掃頻到1MHZ，重點(diǎn)掃頻幾百KHZ段。

MLCC的規(guī)格為107/25V,X7R，2220封裝

從測試數(shù)據(jù)來看，偏差有點(diǎn)大，但基本還算是MLCC的特征，找代理買來的樣品，應(yīng)該不是水貨吧。

元芳，你怎么看？？

2
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2017-03-07 17:37
@javike
MLCC的規(guī)格為107/25V,X7R，2220封裝從測試數(shù)據(jù)來看，偏差有點(diǎn)大，但基本還算是MLCC的特征，找代理買來的樣品，應(yīng)該不是水貨吧。元芳，你怎么看？？

把MLCC電容換成鉭電容后，溫升都成次要的了，主要是效率

輸出電容換了后，效率提升明顯，然后毫不猶豫的把輸入的MLCC也換了

效率直接提升至97.77%了，提升了整整4個(gè)點(diǎn)。

那么在看看鉭電容的掃頻參數(shù)



那么你看出問題來了嗎？


。。。。。。下接第20帖。。。。。。

0
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tallmancyh
LV.3
18
2017-03-08 09:56
@javike
把MLCC電容換成鉭電容后，溫升都成次要的了，主要是效率輸出電容換了后，效率提升明顯，然后毫不猶豫的把輸入的MLCC也換了效率直接提升至97.77%了，提升了整整4個(gè)點(diǎn)。那么在看看鉭電容的掃頻參數(shù)[圖片]那么你看出問題來了嗎？。。。。。。下接第20帖。。。。。。
網(wǎng)上說鉭電容失效會(huì)著火哦，是不是用固態(tài)電容好點(diǎn)？
0
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2017-03-08 10:30
@tallmancyh
網(wǎng)上說鉭電容失效會(huì)著火哦，是不是用固態(tài)電容好點(diǎn)？

鉭電容失效一般是由于焊接不當(dāng)造成的。

固態(tài)電容的高頻特性比鉭電容還是差點(diǎn)吧，而且體積也不小。

1
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2017-03-09 10:09

。。。。。。上接第17帖。。。。。。



先來看看更換電容后的溫升狀況：




環(huán)溫15度滿載5A測試2小時(shí)的溫升曲線

雖然電容的溫升下降明顯了，但感覺還是有些高，不過最高的是MOSFET，當(dāng)然也極有可能是MOSFET傳導(dǎo)過來的溫度。

同時(shí)效率還需要提升。




再看看接著帶載120%的情況：



帶載120%（6A）雖然能穩(wěn)定的工作，但MOSFET和輸出電容溫度都100+了。



接下來首當(dāng)其沖的就是改善MOSFET溫升。

不過溫升測試時(shí)發(fā)現(xiàn)電感有些噪音。

由于之前還沒有拿到DSOX1102G，所以環(huán)路就沒法測試

于是。。。。

就把電感給拆了：


哦去，居然是銅線繞的。

接下來砸開了好幾款不同國產(chǎn)品牌的電感，

發(fā)現(xiàn)這些電感多數(shù)都是用銅線繞制的。有2根0.3mm或0.35mm并繞的，有單根0.5mm繞的，標(biāo)稱頻率都能到1MHz

難道趨膚效應(yīng)對(duì)它不管用？


0
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tankchen
LV.4
21
2017-03-09 17:22
@javike
。。。。。。上接第17帖。。。。。。先來看看更換電容后的溫升狀況：[圖片]環(huán)溫15度滿載5A測試2小時(shí)的溫升曲線雖然電容的溫升下降明顯了，但感覺還是有些高，不過最高的是MOSFET，當(dāng)然也極有可能是MOSFET傳導(dǎo)過來的溫度。同時(shí)效率還需要提升。再看看接著帶載120%的情況：[圖片]帶載120%（6A）雖然能穩(wěn)定的工作，但MOSFET和輸出電容溫度都100+了。接下來首當(dāng)其沖的就是改善MOSFET溫升。不過溫升測試時(shí)發(fā)現(xiàn)電感有些噪音。由于之前還沒有拿到DSOX1102G，所以環(huán)路就沒法測試于是。。。。就把電感給拆了：[圖片]哦去，居然是銅線繞的。接下來砸開了好幾款不同國產(chǎn)品牌的電感，發(fā)現(xiàn)這些電感多數(shù)都是用銅線繞制的。有2根0.3mm或0.35mm并繞的，有單根0.5mm繞的，標(biāo)稱頻率都能到1MHz難道趨膚效應(yīng)對(duì)它不管用？
電感是儲(chǔ)能元件，本身并不消耗能量，電感的設(shè)計(jì)本身就局限了能儲(chǔ)多少的能量，自然的就能取走多少的能量.
0
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2017-03-10 17:13
@javike
。。。。。。上接第17帖。。。。。。先來看看更換電容后的溫升狀況：[圖片]環(huán)溫15度滿載5A測試2小時(shí)的溫升曲線雖然電容的溫升下降明顯了，但感覺還是有些高，不過最高的是MOSFET，當(dāng)然也極有可能是MOSFET傳導(dǎo)過來的溫度。同時(shí)效率還需要提升。再看看接著帶載120%的情況：[圖片]帶載120%（6A）雖然能穩(wěn)定的工作，但MOSFET和輸出電容溫度都100+了。接下來首當(dāng)其沖的就是改善MOSFET溫升。不過溫升測試時(shí)發(fā)現(xiàn)電感有些噪音。由于之前還沒有拿到DSOX1102G，所以環(huán)路就沒法測試于是。。。。就把電感給拆了：[圖片]哦去，居然是銅線繞的。接下來砸開了好幾款不同國產(chǎn)品牌的電感，發(fā)現(xiàn)這些電感多數(shù)都是用銅線繞制的。有2根0.3mm或0.35mm并繞的，有單根0.5mm繞的，標(biāo)稱頻率都能到1MHz難道趨膚效應(yīng)對(duì)它不管用？

測一下這顆電感的參數(shù)：



之后果斷更換為威世5050的電感


再看看威世5050的掃頻數(shù)據(jù)：



威世的電感感量相對(duì)穩(wěn)定些，但更大的差異是Q值

不過換電感的效果改善不是很大，僅提升了0.1%的效率。

0
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2017-03-13 10:34
@javike
測一下這顆電感的參數(shù)：[圖片]之后果斷更換為威世5050的電感再看看威世5050的掃頻數(shù)據(jù)：[圖片]威世的電感感量相對(duì)穩(wěn)定些，但更大的差異是Q值不過換電感的效果改善不是很大，僅提升了0.1%的效率。

MOSFET是溫升最高的，所以毫無疑問就得在MOSFET上動(dòng)手了

由于當(dāng)時(shí)沒有買到optiMOS TM5，所以最開始采用的是optiMOS TM3的BSC042N03LS

這顆MOSFET在VGS=4.5V時(shí)Rds_on=6.5mRQg和Ciss也不算太大，而且價(jià)格便宜


接下來換成Rds_on和Ciss小近一半的BSC0902NSI，不過這顆MOSFET僅屬于optiMOS 1代的產(chǎn)品。

試試效果：


環(huán)境溫度稍高一點(diǎn)點(diǎn)，但元器件的溫升都有明顯下降。


再看看繼續(xù)加載120%（6A）負(fù)載測試：



溫升雖然還不算滿意，但效率也得到明顯的提升，效率此時(shí)達(dá)到了98.23%，

加上上面更換電感提升的0.1%，效率提升了0.46%

當(dāng)然，之后有了DSOX1102G后對(duì)環(huán)路進(jìn)行優(yōu)化

效率再次提升了0.13%，達(dá)到了98.36%


接下來還得在MOSFET上下功夫了，optiMOS TM5的樣品已經(jīng)到了

抽空再換上測試


0
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2017-03-14 14:51
@javike
MOSFET是溫升最高的，所以毫無疑問就得在MOSFET上動(dòng)手了由于當(dāng)時(shí)沒有買到optiMOSTM5，所以最開始采用的是optiMOSTM3的BSC042N03LS這顆MOSFET在VGS=4.5V時(shí)Rds_on=6.5mRQg和Ciss也不算太大，而且價(jià)格便宜接下來換成Rds_on和Ciss小近一半的BSC0902NSI，不過這顆MOSFET僅屬于optiMOS1代的產(chǎn)品。試試效果：[圖片]環(huán)境溫度稍高一點(diǎn)點(diǎn)，但元器件的溫升都有明顯下降。再看看繼續(xù)加載120%（6A）負(fù)載測試：[圖片]溫升雖然還不算滿意，但效率也得到明顯的提升，效率此時(shí)達(dá)到了98.23%，加上上面更換電感提升的0.1%，效率提升了0.46%當(dāng)然，之后有了DSOX1102G后對(duì)環(huán)路進(jìn)行優(yōu)化效率再次提升了0.13%，達(dá)到了98.36%接下來還得在MOSFET上下功夫了，optiMOSTM5的樣品已經(jīng)到了抽空再換上測試

更好MOSFET之后的效率測試：


（19.1402*5.01608）/（12.0050*8.09066）=98.8473%


有空再測下溫升情況。

0
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H-power
LV.8
25
2017-03-15 11:03
@javike
上2張MLCC的照片：（請注意：以下照片比較血腥，可能引起部分人群不適[圖片]）[圖片][圖片]輸出的2顆MLCC是前仆后繼的節(jié)奏爆掉而且動(dòng)作還比較慢，能看出電容從左端開始爆裂，然后延伸到右端。

MLCC不會(huì)起火嗎?鉭電容如果這樣子會(huì)燒火的

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hjxz001
LV.2
26
2017-03-27 11:36
@javike
把MLCC電容換成鉭電容后，溫升都成次要的了，主要是效率輸出電容換了后，效率提升明顯，然后毫不猶豫的把輸入的MLCC也換了效率直接提升至97.77%了，提升了整整4個(gè)點(diǎn)。那么在看看鉭電容的掃頻參數(shù)[圖片]那么你看出問題來了嗎？。。。。。。下接第20帖。。。。。。
樓主，問題是 鉭電容500K的時(shí)候只剩371nF，這么低的容量了  還夠用？沒明白你說的換成鉭電容，效率提升明顯的原因
1
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2017-03-27 13:18
@hjxz001
樓主，問題是鉭電容500K的時(shí)候只剩371nF，這么低的容量了 還夠用？沒明白你說的換成鉭電容，效率提升明顯的原因

電容在高頻下容量下降是肯定的，至于夠用不夠用，我換上后溫升明顯降低，效率明顯上升，這就是最好的證明了。

至于為什么會(huì)這樣，除了MLCC的容壓效應(yīng)外，焊接上我已經(jīng)非常注意了，暫時(shí)我也沒找到其他原因。

0
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漫步_xxw
LV.2
28
2017-04-21 08:40
@javike
。。。。。。上接第17帖。。。。。。先來看看更換電容后的溫升狀況：[圖片]環(huán)溫15度滿載5A測試2小時(shí)的溫升曲線雖然電容的溫升下降明顯了，但感覺還是有些高，不過最高的是MOSFET，當(dāng)然也極有可能是MOSFET傳導(dǎo)過來的溫度。同時(shí)效率還需要提升。再看看接著帶載120%的情況：[圖片]帶載120%（6A）雖然能穩(wěn)定的工作，但MOSFET和輸出電容溫度都100+了。接下來首當(dāng)其沖的就是改善MOSFET溫升。不過溫升測試時(shí)發(fā)現(xiàn)電感有些噪音。由于之前還沒有拿到DSOX1102G，所以環(huán)路就沒法測試于是。。。。就把電感給拆了：[圖片]哦去，居然是銅線繞的。接下來砸開了好幾款不同國產(chǎn)品牌的電感，發(fā)現(xiàn)這些電感多數(shù)都是用銅線繞制的。有2根0.3mm或0.35mm并繞的，有單根0.5mm繞的，標(biāo)稱頻率都能到1MHz難道趨膚效應(yīng)對(duì)它不管用？

超牛的版主，佩服！

不知道版主用的什么IC設(shè)定在多少的開關(guān)頻率啊，這個(gè)效率杠杠的，可惜沒有觀察到版主的MOS開關(guān)信號(hào)

0
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yanshuyin
LV.4
29
2017-04-21 16:34
沒電解電容不行吧，之前做有一款5V4A的，上電直接燒壞電容?？植馈?。。。。。
0
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2017-04-23 19:06
@yanshuyin
沒電解電容不行吧，之前做有一款5V4A的，上電直接燒壞電容。恐怖。。。。。。
不需要電解的電容的，而且電解電容跑這么高頻率也不行了。
0
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2017-04-23 19:07
@漫步_xxw
超牛的版主，佩服！不知道版主用的什么IC設(shè)定在多少的開關(guān)頻率啊，這個(gè)效率杠杠的，可惜沒有觀察到版主的MOS開關(guān)信號(hào)

500K

好的，波形后面補(bǔ)上

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