JW5026 在PCB 電源系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用研究

李海燕，吳琳君，吳 敏，孫新志，陳建敏

（廣州擎天實業(yè)有限公司，廣東 廣州 510860）

1 引言

在PCB 設(shè)計過程中，板級電源電路設(shè)計以及元器件布局對提高PCB 質(zhì)量，改善控制系統(tǒng)電磁兼容性起至關(guān)重要的作用。隨著PCB 設(shè)計復(fù)雜度的逐步提高，對于信號完整性的分析除了反射、串?dāng)_以及EMI 之外，穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)也成為設(shè)計者們重點研究的方向之一。如果PCB 電源電路設(shè)計缺陷，將直接導(dǎo)致PCB 發(fā)熱異常、元器件供電不穩(wěn)定以及電源電壓紋波超過元器件允許范圍造成采樣波動，程序跑飛失控等嚴(yán)重后果，最終導(dǎo)致設(shè)計失敗，無法實現(xiàn)預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。對于大多數(shù)PCB 電源系統(tǒng)設(shè)計來說，目前常用的PCB 器件電壓分布圖如圖1 所示。

2 常見PCB 電源系統(tǒng)設(shè)計方案對比

針對PCB 內(nèi)部運(yùn)算放大器以及單片機(jī)等各種芯片工作電源電壓要求不同，在PCB 電源電路設(shè)計中，常見的降壓電路采用的控制芯片主要包括了7805以及AMS1117-3.3 等三端穩(wěn)壓芯片。部分降壓電路也采用了金升陽、順源等品牌的小功率電源模塊。

7805 等三端穩(wěn)壓芯片輸出電壓平穩(wěn)，其最大的缺點為轉(zhuǎn)換效率低。對于輸入與輸出電壓壓差較大的應(yīng)用場合，三端穩(wěn)壓芯片發(fā)熱嚴(yán)重，增加電路板功率損耗。當(dāng)三端穩(wěn)壓芯片布局不恰當(dāng)或者無法有效散熱時，熱量可能會影響到PCB 內(nèi)其他芯片（尤其是溫度敏感芯片）的正常運(yùn)行，造成其他元器件工作異常甚至控制系統(tǒng)崩潰。

在電源電路設(shè)計中，對于元器件材料成本不敏感的應(yīng)用場合可采用小功率電源模塊。小功率電源模塊在電壓降壓轉(zhuǎn)換處理過程中效率一般可達(dá)80%左右，可有效解決三端穩(wěn)壓芯片的發(fā)熱問題。相對于三端穩(wěn)壓芯片而言，小功率電源模塊在提高轉(zhuǎn)換效率的同時，其市場價格較高。輸出功率3 W 左右的小功率電源模塊一般市面售價不低于15 元。部分輸入輸出帶隔離功能的小功率電源模塊售價更高。

通過上述比較可知，在PCB 電源系統(tǒng)設(shè)計過程中，采用三端穩(wěn)壓芯片降壓具有成本低的優(yōu)勢，但芯片轉(zhuǎn)換效率低，發(fā)熱較大，影響PCB 整體工作性能。7805 等三端穩(wěn)壓芯片適用于負(fù)載功率較小或者成本敏感型產(chǎn)品中加裝散熱器使用。小功率電源模塊提高了轉(zhuǎn)換效率，但使用成本較高，在成本敏感型系統(tǒng)中將降低產(chǎn)品競爭力。因此，設(shè)計一款高效、低成本的電源轉(zhuǎn)換電路能有效降低產(chǎn)品成本，提升產(chǎn)品市場競爭力。

3 基于JW5026 的電源電路設(shè)計

本文設(shè)計了一種基于DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換芯片JW5026 的電源設(shè)計電路，并對JW5026 芯片輸出波形、LC 濾波輸出電壓紋波以及轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了測試。JW5026 芯片是杰華特微電子有限公司生產(chǎn)的新一代寬輸入電壓范圍、高頻調(diào)制、高效率的DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換芯片。該DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換芯片基本參數(shù)如下：

（1）輸入電壓范圍：4.7 V～40 V，DC。

（2）輸出電壓最低可達(dá)0.8 V。

（3）調(diào)制頻率：1.1 MHz。

（4）轉(zhuǎn)換效率：最高達(dá)95%，一般工況約87%。

（5） 輸出最大電流：1 A。

（6） 封裝：SOT23-6。

同時，該芯片還具有集成內(nèi)部補(bǔ)償、軟啟動以及輸出短路保護(hù)等功能。JW5026引腳分布如圖2所示。

圖2 JW5026 引腳分布圖

JW5026 各引腳定義及功能描述如表1 所示：

表1 JW5026 引腳定義及功能

由于JW5026 芯片調(diào)制頻率為1.1 MHz，極大的降低了輸出電壓所需LC 濾波電路中電感量和電容量，減小了LC 濾波電路電感和電容體積，節(jié)約PCB 布局空間。對于尺寸要求較苛刻的PCB 設(shè)計，JW5026 芯片及外圍電路布局優(yōu)勢明顯。JW5026 輸出5 V 電壓的典型應(yīng)用電路如圖3 所示。

圖3 JW5026 典型應(yīng)用電路（輸出5 V 電壓）

4 電路測試結(jié)果

本文參考圖3 中典型應(yīng)用電路進(jìn)行了測試電路設(shè)計，在不同輸入電壓以及不同負(fù)載情況下進(jìn)行了測試。測試結(jié)果由于測試方法以及試驗儀器等原因可能存在部分誤差。

表2 輸入12 V，輸出1.67 W 工況下測試結(jié)果

表3 輸入24 V，輸出1.67 W 工況下測試結(jié)果

表4 輸入12 V，輸出3.0 W 工況下測試結(jié)果

表5 輸入24 V，輸出3.0 W 工況下測試結(jié)果

5 結(jié)論

由表2 至表5 試驗結(jié)果可知，在5 V 輸出功率為1.67 W、3.0 W 的情況下，JW5026 芯片的轉(zhuǎn)換效率均高于85%。通過試驗結(jié)果不難看出，同等輸入電壓情況下，輸出功率越小，轉(zhuǎn)換效率越高；同等輸出功率情況下，輸入電壓越低，轉(zhuǎn)換效率越高。

JW5026 在上電啟動過程中，實測響應(yīng)速度均小于2 ms。同時，JW5026 在啟動過程中輸出電壓上升平穩(wěn)，無明顯過沖。