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[电源]使用IP6518复刻诺基亚NOKIA DC-20车充,支持各种快充 [复制链接]

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离线john_chuck
 

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— 本帖被 發騷友 设置为精华,作者+3000M币+5专家(2018-06-20) —


前言:工作和各种事情太忙,3月份做的板子,现在才有空来整理发帖,,,


时代在进步,社会在发展
以前单口5V@2A的车充在高通等快速充电面前,已经不值一提了
现在哪个厂家搞个充电器还有不支持快充的?


记得QC 2.0 3.0刚兴起的时候,还是靠FP6601Q这种握手芯片,去改变DC-DC电路的FB值来得到调压的效果
典型案例是某款降压IC+FP6601Q,或者TPS61088+FP6601Q这种结构


个人认为这种方式相当不可取,特别是在前级DC-DC含有COMP环路的时候
改变输出电压值哪有仅仅改变FB值那么简单就可行的?


后来渐渐的出现了一些一体集成的IC方案,比如UP9616D,MPS的MP5402等
但这些方案或多或少都存在一些缺点,例如UP9616D开关频率太低,输出采样电阻太大等


而众多厂家中却有一颗耀眼的明星——IP6518
此芯片通过高通QC认证,支持超多种充电协议,并且支持USB TYPE-C,内置USB PD
支持QC、FCP/SCP、什么低压快充乱七八糟的协议
并且内部集成MOS管,工作方式为同步降压
还集成了线损补偿,想当年某些带有线损补偿功能的充电器的价格不是被炒得离谱吗


说了那么多,制作此车充的原因在于——手痒


市面上品牌车充已经做得很好了,外观也好看,可是我们这些做研发的就是不甘心
DIY车充呢?额,我对性能和参数是有极致的追求的
说到底还是自己做的有成就感


先从找一款合适的外壳入手
搜了下,特么好看的外壳基本没有卖的,主要是批发为主
找来找去,算了,就近从黄师傅那拿个诺基亚DC-20车充吧,颜值也不差
然后开始找资料,吃透IP6518的PDF,搞清楚这个芯片的用法,PCB layout,注意事项等
接着拆开诺基亚DC-20车充,拆下所有大个的接插件元器件等
挺好拆的,用力掰屁股就开了






开始测量PCB尺寸,复刻嘛
测量完成之后搬到AD里,确定PCB外框




接下来根据官方PDF绘制原理图,打算和原先的车充一样,双路独立
这么小的空间,要塞下两路DC-DC,而且每一路电流还不小
而且这款芯片开关频率虽然可调但是也不高,电感推荐用22uH
要么减小电感量,同样体积下更小的电感量即更粗的铜线,可过更大电流


更小的电感量,更高的开关频率,更大的开关损耗,更低的效率,更高的纹波
更大的电感量,更低的开关频率,更小的开关损耗,更高的效率,更低的纹波


22uH还要保证3A电流,这个体积看是没办法了
如何取舍?
看了无数次手册,在几个相近的值之间徘徊
终于选定电感量15uH,开关频率取最高350kHz
由于体积所限,电容电阻都尽可能的取小,这里说的小是封装上的小,基本要求和EMI要求这些必须要保证的
所有的小电容小电阻(其实也就4个)都取0402封装
我擦0402的100nF 50V电容贵的要死,100nF本来这段时间就很贵了,还偏偏要最极端的型号,,,
输入电容需使用两个50V 4.7uF的,输出电容需使用两个25V 22uF的,嘉立创上找来找去,最小只有0805封装的,材质均为X5R,品牌禾伸堂和华科
不错的,禾伸堂和华科可是超越风华、三星等三流大厂,直逼村田等一流大厂的品牌


光有MLCC是不够的,这种空间要求下只能选用固态或聚合物电容
还是找来找去,E型钽聚合物/高分子聚合物电容太占面积
还是用贴片电解形状的固态/高分子吧,首先想到的是三洋(哦现在叫松下了)SVP/SVPF/SPEC系列


选型电容如下,真的都不便宜




然后说一下TVS的选型,,,
汽车应用场合TVS是必须的,否则点火启动瞬间的高压很可能会把芯片打穿
我们先来看下IP6518的参数,特别是极限参数
极限输入电压范围是-0.3~48V
输入工作电压范围是10.5~32V
所以TVS的最大钳位电压应该小于等于48V,才可保证电源IC的安全
查TVS的数据手册,应该选用最大钳位电压45.4V,即28V的TVS
然后28V的TVS对应的最小击穿电压31.1V
基本都在IP6518的电压范围之内,并且保留了一丢丢余量




完成器件选型之后,确定所有的封装,就开始把东西摆在PCB上
PCB layout,老本行了,先按各个部分归类好元件,再做具体的摆放和layout
下面重点讲解DC-DC布线、地线电流回流、一点接地、数字地模拟地功率地分隔的问题


PCB layout绝对不是简单的将相同网络的焊盘用线连起来这么简单的!


除非你不考虑效率、干扰(EMI)、纹波、性能(电源调整率)等。
而DC-DC的布线,则能很好的体现PCB layout的功夫
这么小的板子,考虑到功率、散热和布线,至少四层板,至少
六层板确实做不起,就做四层,足够了的


首先来看原理图,原理图是layout的根本,正确直观的原理图是layout的基础
电源从VIN输入,滤波后进入芯片的VIN,经过内部开关之后从LX输出,LX即是两个开关MOS管的中点
LX出来的开关电流经过电容滤波之后输出,还经过一个取样电阻
主要的电源通路即这部分,其他的FS调节开关频率的还有自举电容这些就不多说了
图中都是GND,那到底哪些是功率地、数字地和模拟地(小功率地)呢
如果原图没标注,就只能靠分析,这个电路还是很简单的,一眼就能看出来
如下图,已用不同接地符号标出功率地和信号地




好了分析完了,回到实际layout中去
来看下电源输入路径,电流肯定是先经过保险,再到TVS的,否则不起作用!




滤波电容要沿着电流流动的路径布放,刚才的图已经标明大电流路径(粗线)
输出滤波电容也一样,更应该沿着电流路径布放,即把从电感出来的波形滤干净




否则你将会得到超大纹波,超高dV/dt的电流
轻则影响性能,重则烧毁负载,特别是这种输入电压较高,压差较大,dV/dt很高的降压场合
输出有个电流采样电阻,目的是用于采集输出电流大小,以作为短路或者过流的依据
此芯片采用高侧电流采样,高侧采样优点是采样信号噪声小,不易受干扰
原理图中我们可以看到,采样电阻两端均有线连接至芯片(红线)
推测其采集VSP和VOUT之间的电压值,除以采样电阻值得到实际电流
而VOUT还应该作为输出电压采集
这两根线的布线,是一个重点
采样电路两端的线应使用开尔文连接,而不是就近将相同网络用线连起来!
如下图所示,两根细线从电阻两端引出,单独走回芯片




这边还有个小错误,VOUT引脚应该接在C3电容之后的位置,当时一股脑认为是采电阻上的电压了

重点中的重点,铺地线
这不简单么,GND覆铜全覆就行了
确实大部分人都是全覆的,也能用,能,,,用,,,
大家看看淘宝卖电源模块的,有几个测纹波的,不管是所谓的“大神”还是抄板的小店,扯到纹波
一笔带过,或者随便标,50mV,反正也没什么人测,我测测效率这些忽悠人就好了
纹波是DC-DC开关电源的三大重要指标之一,而纹波,会跟地线铺设有很大的关系
地线是所有电流和信号的一个回流点,输入电流经过芯片开关,再进入手机负载之后,从输出负极回流,再回到输入负极
这一条路径上的噪声,是最大的,对,地线上的噪声
而中间包括滤波电容、芯片本身的耗电电流、芯片内部退耦、电流采样退耦等等大大小小的电流回流
这些电流最终都要回到输入负极这个点,而layout中,就是要把这些回流,分离开,以避免互相干扰
比如功率地上的噪声,处理不好的话,一旦进入FB的参考地(通常是信号地),那么FB点上就会产生噪声,造成输出纹波巨大
通常在四层板layout中,我们保留一层作为完整的GND层,这一层上只有GND的覆铜,没有其他网络的覆铜,也没有任何走线
然后根据实际情况,在这一层上做地线分割
有热焊盘的芯片,通常将热焊盘作为功率地与信号地的分割点
即所有的信号地汇总于热焊盘,再从热焊盘回流到输入地,如下图所示,利用放置多边形覆铜挖空来分割地线




这样,把地线分割做完,layout也基本完成了
至于效果,让实测说明!



接下来打板子,单独做10片200元不划算,拼板吧
不规则拼板需要稍微处理下
注意原板厚是1.2的,我们复刻当然也要做1.2mm
价格还行,10大片板子,40小片,一共252元
超棒的嘉立创,四层板两天就做完了,12号下单17号就拿到了
做出来板子的样子,因为靠近工艺边的部分需要做出外形,所以部分工艺边会被切到



迫不及待撕下一片焊接
钢网锡膏准备好,马马虎虎刷出来的样子



然后贴上单面的元件



丢进回流焊机焊接,焊好的样子,QFN的引脚很饱满



没有双面贴的能力,另一面只能手工焊接了,,,



请忽略难看的助焊剂,,,


好了,通电,BOOM……是不可能的输入约24V,输出5.2V,输入输出情况:



没有爆炸的话,进入测试环节
使用QC诱骗器和电子负载进行测试



【楼下继续!】
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aaabatt M币 +8 優秀文章 07-03
eros8269 M币 +13 謝謝分享 06-28
o759 M币 +1 这太牛逼了。nokia公司应该吸纳你的设计改造一下产品延续自己的品牌影响力 06-26
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离线john_chuck

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只看该作者 1楼 发表于: 06-20
继续,,,



好了,测测纹波如何,示波器测纹波用DC档,记得把带宽限制打开!
空载39mV,很舒服



先干5V@2.1A



带2.1A负载时,50mV左右,很棒!




稍微有点三角波,说明电容可能有点小,没办法,空间放不下了,,,
不过24V -> 5V@2.1A时这个纹波我已经很满意了,毕竟压差高达19V


使用QC诱骗器将输出电压骗至9V,电子负载电流取1.5A




示波器仍然夹着,继续观察纹波
有点大了,64mV,仍然在可接受范围内




还是三角波,,,
继续诱骗至12V,电流仍然取1.5A




观察纹波,仍然是64mV,不错




然后测试下12V输入时的纹波,理论上肯定会比24V输入时好很多!
输出5V@2.1A




输出9V@1.5A




然后赶紧拿热成像仪看一下发热情况
其实这个设计我自己都认为对散热很不好,很不好,,,
果然,电感挺热,芯片可以达到70摄氏度
还好用的四层板,要是两层板芯片估计早冒烟了




好吧,测完纹波该测测效率了
使用三位半万用表做如下记录,其中电流由电子负载测得,稍有误差
可以看到,典型的BUCK架构,压差越大效率越低
在压差最小的时候,即12V输入,QC充电,9V@1.5A输出时,效率达到了96%




用起来,这个芯片还是很不错的
下面就是丢到超声波清洗机里边去,把助焊剂什么的洗干净,装壳了
设计上又出现一个BUG了,边上的LED会和塑料件干涉
用薄一点的LED就好了,当初大意了,没按原版板子做,以为原版用的直插的就无所谓,,,


把毕业这些年在DC-DC和PCB layout方面学到的最深刻的东西传授给大家了!求精华!求M奖励!


谢谢大家观赏!


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dragonkyo M币 +8 楼主好强,多谢分享了! 06-29
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电台迷小民 M币 +10 虽然你说得很细,但能消化的真的不多。让水贴的人咋活啊,太牛了 06-22
离线cushion

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只看该作者 2楼 发表于: 06-20
沙发了支持楼主
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john_chuck M币 +8 谢谢支持! 06-21
有病,要治
离线挣钱买刀

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只看该作者 3楼 发表于: 06-20
这个牛逼了!
离线sdf15937

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只看该作者 4楼 发表于: 06-20
出不出?价格如何?我也想要一个,壳子我有,当初这个头子买了俩……一个长时间在车上用……另一个就吃灰了……原来的双路5V1A,充电真的是太慢了,带个导航有时候电越用越少……
离线cushion

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只看该作者 5楼 发表于: 06-20
不过,拍热成像图的时候室温是多少度?
我们这里夏天打开车门,车里面有四十度以上!
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锰子 M币 +10 歡迎探討 08-01
john_chuck M币 +8 这个问题提得好 06-21
有病,要治
离线ldy9854

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只看该作者 6楼 发表于: 06-20
高手,高手,高高手~
离线azzajazz

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只看该作者 7楼 发表于: 06-20
高手啊!自己搞快冲了

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在线hongo

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只看该作者 8楼 发表于: 06-20
这个很专业啊
离线人间渡

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套件出吗,收两套玩玩呀