【我是工程師第三季】99%效率高功率密度電源挑戰設計分享

先來說說設計這款電源的背景：

應朋友的需求，設計一個筆記本用車載電源，同時需要支持獨顯筆記本，輸入電壓為DC19V。

于是，初定規格為：

輸入：DC12V（10~15V）

輸出：DC19V/5A（按約100W來定義的電流）

體積當然是越小越好了。。。

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

根據內尺寸預留單邊0.2~0.3mm間隙，PCB尺寸為L50.0*W30.5mm

于是就開始設計了。。。。

初定目標效率99%，下面報告下最近的進度：

實物圖：

尺寸只有2枚硬幣的大小哦。

上周剛采用是德科技新發布的DSOX1102G示波器進行了環路調試，調試心得在“是德征文”活動中做分享：

鏈接：

http://www.daogou-taobao.cn/bbs/1539174.html

是德征文活動鏈接：

http://www.daogou-taobao.cn/bbs/1537870.html

DSOX1102G的誘惑力很大，所以昨天我已經發了一帖，還望大家多多交流：

http://www.daogou-taobao.cn/bbs/1539145.html

關于DSOX1102G示波器的測評請看：

http://www.daogou-taobao.cn/bbs/1538956.html

環路的優化進一步提高了這款電源的穩定性，同時效率提升了0.13%，目前的效率達到了98.36%

接下來的準備采用英飛凌最新的第5代MOSFET，看看效率的提升。

調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，打個預防針，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(114)

只看樓主

正序查看

倒序查看

無夜的星空下

LV.2

2017-03-04 12:16

前排強勢占沙發

回復

jiame2006

LV.7

2017-03-04 12:17

不錯，期待分享。

“輸入電壓為DC19V。”這里是否是輸出電壓？輸入一般12V。

回復

javike

2017-03-04 12:32

@jiame2006

不錯，期待分享。“輸入電壓為DC19V。”這里是否是輸出電壓？輸入一般12V。

筆記本輸入19V，所以車載電源的輸出是19V

回復

夜的第七章

LV.3

2017-03-04 12:57

多相交錯boost？

回復

javike

2017-03-04 13:53

@夜的第七章

多相交錯boost？

100W不到，沒必要多相吧，又不是1V輸出的那種BUCK

回復

xd285070

2017-03-04 16:23

這效率，牛逼，只是沒短路保護啊，這個怎么破

回復

javike

2017-03-04 16:27

@xd285070

這效率，牛逼，只是沒短路保護啊，這個怎么破[圖片]

必須有啊，盡在一顆Fuse搞定

回復

bluesky5417

LV.1

2017-03-04 23:35

太牛了,膜拜

回復

夜的第七章

LV.3

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？

回復

ghsdwf

LV.6

2017-03-06 08:50

@夜的第七章

多相交錯boost？

從PCB布線和效率99%的需求看，應該是同步Boost

回復

pads2005pcb

LV.7

2017-03-06 15:18

@bluesky5417

太牛了,膜拜

沒看到測試數據

回復

javike

2017-03-07 10:34

。。。。。。上接第1帖。。。。。。

先說說插曲吧

從手機里翻出了當時用手機隨手拍的一張照片

對比前后照片，除了不能分辨參數修改的小電阻、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個小時，輸出的2顆MLCC溫度達到120+度（環境溫度17-18度）

而效率只有不到94%

在超載120%負載測試中（19V/6A），MLCC爆掉了。

回復

javike

2017-03-07 10:36

@javike

。。。。。。上接第1帖。。。。。。先說說插曲吧從手機里翻出了當時用手機隨手拍的一張照片[圖片]對比前后照片，除了不能分辨參數修改的小電阻、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個小時，輸出的2顆MLCC溫度達到120+度（環境溫度17-18度）而效率只有不到94%在超載120%負載測試中（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是前仆后繼的節奏爆掉

而且動作還比較慢，能看出電容從左端開始爆裂，然后延伸到右端。

回復

javike

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是前仆后繼的節奏爆掉而且動作還比較慢，能看出電容從左端開始爆裂，然后延伸到右端。

接下來對LCR進行預熱2小時，

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設置從1KHZ開始掃頻到1MHZ，重點掃頻幾百KHZ段。

回復

javike

2017-03-07 10:41

@javike

接下來對LCR進行預熱2小時，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設置從1KHZ開始掃頻到1MHZ，重點掃頻幾百KHZ段。

MLCC的規格為107/25V,X7R，2220封裝

從測試數據來看，偏差有點大，但基本還算是MLCC的特征，找代理買來的樣品，應該不是水貨吧。

元芳，你怎么看？？

回復

javike

2017-03-07 17:37

@javike

MLCC的規格為107/25V,X7R，2220封裝從測試數據來看，偏差有點大，但基本還算是MLCC的特征，找代理買來的樣品，應該不是水貨吧。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個點。

那么在看看鉭電容的掃頻參數

那么你看出問題來了嗎？

。。。。。。下接第20帖。。。。。。

回復

tallmancyh

LV.3

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個點。那么在看看鉭電容的掃頻參數[圖片]那么你看出問題來了嗎？。。。。。。下接第20帖。。。。。。

網上說鉭電容失效會著火哦，是不是用固態電容好點？

回復

javike

2017-03-08 10:30

@tallmancyh

網上說鉭電容失效會著火哦，是不是用固態電容好點？

鉭電容失效一般是由于焊接不當造成的。

固態電容的高頻特性比鉭電容還是差點吧，而且體積也不小。

回復

javike

2017-03-09 10:09

。。。。。。上接第17帖。。。。。。

先來看看更換電容后的溫升狀況：

環溫15度滿載5A測試2小時的溫升曲線

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，當然也極有可能是MOSFET傳導過來的溫度。

同時效率還需要提升。

再看看接著帶載120%的情況：

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

接下來首當其沖的就是改善MOSFET溫升。

不過溫升測試時發現電感有些噪音。

由于之前還沒有拿到DSOX1102G，所以環路就沒法測試

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品牌的電感，

發現這些電感多數都是用銅線繞制的。有2根0.3mm或0.35mm并繞的，有單根0.5mm繞的，標稱頻率都能到1MHz

難道趨膚效應對它不管用？

回復

tankchen

LV.4

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]環溫15度滿載5A測試2小時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，當然也極有可能是MOSFET傳導過來的溫度。同時效率還需要提升。再看看接著帶載120%的情況：[圖片]帶載120%（6A）雖然能穩定的工作，但MOSFET和輸出電容溫度都100+了。接下來首當其沖的就是改善MOSFET溫升。不過溫升測試時發現電感有些噪音。由于之前還沒有拿到DSOX1102G，所以環路就沒法測試于是。。。。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品牌的電感，發現這些電感多數都是用銅線繞制的。有2根0.3mm或0.35mm并繞的，有單根0.5mm繞的，標稱頻率都能到1MHz難道趨膚效應對它不管用？

電感是儲能元件，本身并不消耗能量，電感的設計本身就局限了能儲多少的能量，自然的就能取走多少的能量.

回復

javike

2017-03-10 17:13

@javike

測一下這顆電感的參數：

之后果斷更換為威世5050的電感

再看看威世5050的掃頻數據：

威世的電感感量相對穩定些，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。

回復

javike

2017-03-13 10:34

@javike

測一下這顆電感的參數：[圖片]之后果斷更換為威世5050的電感再看看威世5050的掃頻數據：[圖片]威世的電感感量相對穩定些，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上動手了

由于當時沒有買到optiMOS TM5，所以最開始采用的是optiMOS TM3的BSC042N03LS

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

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代的產品。

試試效果：

環境溫度稍高一點點，但元器件的溫升都有明顯下降。

再看看繼續加載120%（6A）負載測試：

溫升雖然還不算滿意，但效率也得到明顯的提升，效率此時達到了98.23%，

加上上面更換電感提升的0.1%，效率提升了0.46%

當然，之后有了DSOX1102G后對環路進行優化

效率再次提升了0.13%，達到了98.36%

接下來還得在MOSFET上下功夫了，optiMOS TM5的樣品已經到了

抽空再換上測試

回復

javike

2017-03-14 14:51

@javike

MOSFET是溫升最高的，所以毫無疑問就得在MOSFET上動手了由于當時沒有買到optiMOSTM5，所以最開始采用的是optiMOSTM3的BSC042N03LS這顆MOSFET在VGS=4.5V時Rds_on=6.5mRQg和Ciss也不算太大，而且價格便宜接下來換成Rds_on和Ciss小近一半的BSC0902NSI，不過這顆MOSFET僅屬于optiMOS1代的產品。試試效果：[圖片]環境溫度稍高一點點，但元器件的溫升都有明顯下降。再看看繼續加載120%（6A）負載測試：[圖片]溫升雖然還不算滿意，但效率也得到明顯的提升，效率此時達到了98.23%，加上上面更換電感提升的0.1%，效率提升了0.46%當然，之后有了DSOX1102G后對環路進行優化效率再次提升了0.13%，達到了98.36%接下來還得在MOSFET上下功夫了，optiMOSTM5的樣品已經到了抽空再換上測試

更好MOSFET之后的效率測試：