基于CPCI的嵌入式單板計算機電源方案設計

3．1．1 輸出電壓

輸出電壓值的選擇較簡單，由連接在VOUT和VFR間的2只電阻分壓得到。其公式為：

圖2中，分壓電阻為2只精度為1％的電阻R680和R682(分別對應R1，R2)，代入式(1)，計算其輸出電壓VOUT=1．495 V。

3．1．2 開關頻率

LT3501的開關頻率由連接在RT／SYNC引腳上的電阻決定，如圖3所示。當電阻從15．4 kΩ增加到133 kΩ時，其開關頻率從1．5 MHz減小到250 kHz。為減小外連的電感和電容的尺寸，便于PCB設計，開關頻率選擇較高的f=1．2 MHz。則根據圖3所示曲線，其電阻值為20．6 kΩ。

3．1．3 電感值

對于開關電源，電感的取值非常重要。根據LT3501的數據手冊公式：

式中，DC指占空比，其最小值DCMIN=tON(MIN)×f=0．24。VD是捕捉二極管的正向壓降，其值約為0．4 V。

假如最大輸出電流需3 A，由式(2)可計算電感L至少為1．2μH。

為提高效率，減小輸出紋波，要求電感：額定電流的有效值應大于最大負載電流；同時其飽和電流值應大于30％；直流電阻值應小于0．05 Ω，其電感值應大于理論值。據此，系統選擇PB03316-1R5MT，該電感的電感值為1．5μH，直流電阻為0．010Ω，額定電流有效值為8．0 A，飽和電流為6．4 A。選定電感值后，就可將其代入式(2)計算紋波電流△IL為0．8 A。

3．1．4 輸入電容和輸出電容

由于開關電源的輸入是以脈沖形式為輸出提供電流，并且其上升和下降時間非常快。

因此。需用輸入電容濾出電壓紋波，以減小EMI。并可使用4．7μF或更大的X7R或X5R型電容旁路輸入信號，也可使用鉭電容和較小容量的陶瓷電容并聯來實現。陶瓷電容應盡可能靠近器件的輸入引腳。

輸出電容濾波流過電感的電流，以得到紋波很小的輸出電壓。同時，其儲能功能還可滿足瞬間負載，并穩定LT3501的控制環路。LT3501的控制環路采用電流模式，對輸出電容的RESR(串連等效電阻)沒有要求。

因此，可以采用陶瓷電容來作輸出電容。輸出電容的值可以根據式(3)估算。其中MLS(Max Load Step)為最大電流負載的跳變，例如：該系統MLS為3A。

輸出電壓的紋波可按式(4)和(5)估算：式(4)計算陶瓷電容，式(5)計算鉭電容或鋁電解電容。系統采用溫度特性較好的X7R型陶瓷電容與鉭電容并聯。利用式(4)計算出紋波電壓約0．56 mV，滿足CPU和其他電路對電源紋波的要求。

3．2 PCB布局

對于開關電源，PCB的布局非常重要。當開關電源工作時，電路的部分支路存在很大的階躍電流。該電流主要在器件內部的開關管、外面的環流二極管和輸入電容之間流動。由這些元件構成的環路應盡可能的小。在布局時，這些器件以及電感和輸出電容應該布局在電路板的同一層，其連線也盡可能在同一層完成。在這些元件的下面，有一塊連續的局部地。該局部地與系統地的連接采用單點連接方法，連接點最好選在輸出電容的接地端。另外，SW和BST信號的布線要盡可能的短。 LT3501器件的底部有裸露的leadframe，該結構散熱良好。在設計PCB時。可在器件底部的對應位置放一塊覆銅，并通過多個過孔與內層的大面積覆銅連接。

4、結論

分析該系統的功耗，在考慮一定冗余的基礎上，利用3種電源器件設計該嵌入式系統的電源電路。并使用MAX705電源監控器件提高系統的可靠性。該系統已成功在多個實際應用中得到驗證，并且表現良好。