DC DC降压转换器开源分享

描述

降压转换器介绍

在电动汽车中，电池组两端的电位差总是远大于控制逻辑板工作的电压。由于需要有低压电源线，通常等于 5V，因此需要使用称为“降压转换器”的特殊电子电路。通过这些设备，可以非常有效地转换电压，实际上可以达到等于 95% 的 η 值。

为了实现 PCB，我依靠 JLCPCB，这是一家以真正具有竞争力的价格生产高质量 PCB 的领先公司。由于使用了 EasyEda，因此可以轻松地将 PCB 投入生产，您可以在其中选择多种参数，例如：颜色、尺寸、电气测试、金针等等！它们还提供了将组件安装到 PCB 上并将完成的电路发送给您的可能性！

最后，他们还可以进行RoHS测试，大批量生产PCB，这样也能满足企业的需求。

具体来说，如果您选择只生产 5 块 PCB，则价格为 2 美元！

第一块 PCB（用于测试）

 

 

最终印刷电路板

 

 

LMR16020 选择

在该案例中，决定通过集成的 LMR16020 开发降压转换器。该集成感兴趣的特殊性如下：

• 1、输入电压范围：4、3V～60V。考虑使用标称电压为48V的电池组，降压转换器工作的电压范围适合应对电池提供的电压
• 2. 2 A 连续输出电流。这样的输出电流可以同时为多个低功耗设备供电，或者为单个更大的设备供电，例如 Nvidia Jetson Nano
• 集成高端MOSFET。这样可以节省PCB上的空间，避免选择合适的mosfet的问题，使电路更高效
• 超低 40 μA OQC 和超低 1 μA 关断电流。集成设计用于在使用电池的电路中提供出色的性能。由于这些功能，还可以节省能源，延长电池寿命
• 热保护、过压保护和短路保护。在所有“降压转换器”IC 上都无法保证的非常重要的方面，可以在出现故障时保留数字逻辑电路

设计所需参数

构建降压转换器所需的参数是：

• 输入电压：V_IN 48V
• 输出电压：V_OUT 5.0V
• 最大输出电流：I_OUT 2.0 A
• I_EN 1 μA
• I_HY S 3.6 μA
• 瞬态响应 0.2 A 至 2 A：5%
• 输出电压纹波：10mV
• 输入电压纹波：400 mV
• 开关频率：f_SW 600 KHz

输出电压设定点

LMR16020 提供的输出电压可以使用由顶部反馈电阻器 R FBT 和底部反馈电阻器 RFBB 组成的分压器根据需要进行设置。与这两个电阻相关的方程式如下：

RFBT = (V_OUT − 0.75)/0.75 × RF BB

为 R_FBT 选择 100 kΩ 的值，考虑到 V_OUT 电压等于 5V，我们得出 R_FBB 约为 17.65 kΩ。四舍五入，结果为 17.8 kΩ。

开关频率

要计算电阻 RT 的值，可以设置工作频率，需要考虑以下公式：

RT (kΩ) = 42904 × fSW (kHz)^(−1.088)

考虑工作频率为 600 kHz，我们得到 RT 值为 40.72 kΩ。因此，最接近获得的理论电阻的实际电阻值为 41.2 kΩ。

输出电感选择

要选择电感值，有必要考虑一些输入参数，但最重要的是要获得的最大电流纹波。后者越大，整个电路的效率下降得越多。随着输入电压的增加，LMIN 电感的最小值可以使用最大输入电压来计算。将 KIND 视为表示相对于最大输出电流的电流纹波量的系数，将其设置为 20% 即可获得令人满意的结果。电感值的计算继续如下：

△iL = [V OUT × (V IN MAX − V_OUT )] / [V_IN_MAX × L × f_SW]

L MIN = (V_IN_MAX − V_OUT) / (I × K_IND) × (V_OUT) / (V_IN_MAX × f_SW)

在这种情况下，为电感计算选择了以下参数：

• V_IN_MAX：48 伏
• V_OUT：5.0V
• f_SW：600 kHz
• K_IND: 20 %

获得的 LMIN 最小电感值为 17.716 μH，随后选择 22.0 μH 值的电感器进行实际实现。这样就得到了0.400 A的纹波值。

输出电容选择

当转换器处于稳定状态时，降压转换器的输出电容器负责管理输出电压纹波。输出端的纹波由两个基本成分组成：第一个是电感输出端出现的纹波穿过电容器等效串联电阻 (ESR) 的结果：

△V OUT = △iL × ESR = K_IND × I_OUT × ESR

第二个贡献是由对电容器充电和放电的电感器的纹波引起的：

△V_OUT_C = (△i_L) / (8 × f_SW × C_OUT) = (KIND × IOUT) / (8 × f_SW × C_OUT)

由于这两个组件彼此异相，因此整体输出纹波较低。要计算容量的最小值，使用以下公式，然后取两者中较大的值：

COUT > 3 × (IOH − IOL) / (f_SW × V _US)

COUT > (I_OH^2 - I_OL^2) / [(V_OUT + V_OS)^2 - V_OUT^2] × L

考虑以下设计参数：

• 种类：20 %
• 人工晶状体：1.6 A
• IOH：2.4 安
• △V_OUT_C：10毫伏
• V_US：5% V 输出 = 250 mV
• V_OS：5% V 输出 = 250 mV

我们得出 COUT 不能小于 8.33 μF。选择最小值作为最小值，通过从所示的最后两个等式计算 COUT 获得的最大值，我们得出它必须大于 23.37 μF（相对于 16.0 μF）。对于物理实现，选择了一个值为 47.0 μF 的电容器。

肖特基二极管选择

二极管的击穿电压应至少比最大输入电压大 25%。为了提高可靠性，二极管支持的电流必须至少等于转换器的最大输出电流。在这种情况下，选择一个可以支持最大 2 A 电流的二极管 在任何情况下，都可以考虑一个能够支持 IOUT × (1 − D) [A] 的二极管，其中 D 是转换器的占空比开关信号。

输入电容选择

在 LMR16020 的数据表之后，注意到需要一个容量来过滤高频。建议使用 4.7 μF 到 10 μF 的电容，但也可以使用 100 nF 的电容，实际上选择了后者。

自举电容选择

始终按照 LMR16020 的数据表插入一个电容器 CBOOT，它起到自举电容器的作用，其值为 100 nF，能够支持至少 16 V 的电压。

降压转换器仿真

从仿真中可以首先注意到电压达到 5 V 的期望值。随后，电路达到稳定状态大约需要 4.5 ms，这对于将要使用的应用类型来说已经足够了。需要注意的是，输出电流的平均值不是 2A，而是更低。无论如何，输出电流也足以为 Jetson Nano 供电。最后，可以观察到输出电压的纹波极低，几乎不存在，而输出电流的纹波非常重要。通过设备的物理测试，我们将确定电路的整体质量。

PCB布线和物理实现

电路物理结构的一个重要方面是尺寸：由于电压转换器的物理位置必须靠近其他电子板，因此它越小，插入就越舒适。布线完全在单层上进行，从而避免了在前层和后层之间创建布线。该电路将通过一个 5mm DC 连接器连接到电池，同时可以通过螺丝刀针连接到后者的输出。

 

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