DC DC降壓轉換器開源分享

描述

降壓轉換器介紹

在電動汽車中，電池組兩端的電位差總是遠大于控制邏輯板工作的電壓。由于需要有低壓電源線，通常等于 5V，因此需要使用稱為“降壓轉換器”的特殊電子電路。通過這些設備，可以非常有效地轉換電壓，實際上可以達到等于 95% 的 η 值。

為了實現 PCB，我依靠 JLCPCB，這是一家以真正具有競爭力的價格生產高質量 PCB 的領先公司。由于使用了 EasyEda，因此可以輕松地將 PCB 投入生產，您可以在其中選擇多種參數，例如：顏色、尺寸、電氣測試、金針等等！它們還提供了將組件安裝到 PCB 上并將完成的電路發送給您的可能性！

最后，他們還可以進行RoHS測試，大批量生產PCB，這樣也能滿足企業的需求。

具體來說，如果您選擇只生產 5 塊 PCB，則價格為 2 美元！

第一塊 PCB（用于測試）

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最終印刷電路板

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LMR16020 選擇

在該案例中，決定通過集成的 LMR16020 開發降壓轉換器。該集成感興趣的特殊性如下：

• 1、輸入電壓范圍：4、3V～60V?？紤]使用標稱電壓為48V的電池組，降壓轉換器工作的電壓范圍適合應對電池提供的電壓
• 2. 2 A 連續輸出電流。這樣的輸出電流可以同時為多個低功耗設備供電，或者為單個更大的設備供電，例如 Nvidia Jetson Nano
• 集成高端MOSFET。這樣可以節省PCB上的空間，避免選擇合適的mosfet的問題，使電路更高效
• 超低 40 μA OQC 和超低 1 μA 關斷電流。集成設計用于在使用電池的電路中提供出色的性能。由于這些功能，還可以節省能源，延長電池壽命
• 熱保護、過壓保護和短路保護。在所有“降壓轉換器”IC 上都無法保證的非常重要的方面，可以在出現故障時保留數字邏輯電路

設計所需參數

構建降壓轉換器所需的參數是：

• 輸入電壓：V_IN 48V
• 輸出電壓：V_OUT 5.0V
• 最大輸出電流：I_OUT 2.0 A
• I_EN 1 μA
• I_HY S 3.6 μA
• 瞬態響應 0.2 A 至 2 A：5%
• 輸出電壓紋波：10mV
• 輸入電壓紋波：400 mV
• 開關頻率：f_SW 600 KHz

輸出電壓設定點

LMR16020 提供的輸出電壓可以使用由頂部反饋電阻器 R FBT 和底部反饋電阻器 RFBB 組成的分壓器根據需要進行設置。與這兩個電阻相關的方程式如下：

RFBT = (V_OUT ? 0.75)/0.75 × RF BB

為 R_FBT 選擇 100 kΩ 的值，考慮到 V_OUT 電壓等于 5V，我們得出 R_FBB 約為 17.65 kΩ。四舍五入，結果為 17.8 kΩ。

開關頻率

要計算電阻 RT 的值，可以設置工作頻率，需要考慮以下公式：

RT (kΩ) = 42904 × fSW (kHz)^(?1.088)

考慮工作頻率為 600 kHz，我們得到 RT 值為 40.72 kΩ。因此，最接近獲得的理論電阻的實際電阻值為 41.2 kΩ。

輸出電感選擇

要選擇電感值，有必要考慮一些輸入參數，但最重要的是要獲得的最大電流紋波。后者越大，整個電路的效率下降得越多。隨著輸入電壓的增加，LMIN 電感的最小值可以使用最大輸入電壓來計算。將 KIND 視為表示相對于最大輸出電流的電流紋波量的系數，將其設置為 20% 即可獲得令人滿意的結果。電感值的計算繼續如下：

△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)

在這種情況下，為電感計算選擇了以下參數：

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

獲得的 LMIN 最小電感值為 17.716 μH，隨后選擇 22.0 μH 值的電感器進行實際實現。這樣就得到了0.400 A的紋波值。

輸出電容選擇

當轉換器處于穩定狀態時，降壓轉換器的輸出電容器負責管理輸出電壓紋波。輸出端的紋波由兩個基本成分組成：第一個是電感輸出端出現的紋波穿過電容器等效串聯電阻 (ESR) 的結果：

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

第二個貢獻是由對電容器充電和放電的電感器的紋波引起的：

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

由于這兩個組件彼此異相，因此整體輸出紋波較低。要計算容量的最小值，使用以下公式，然后取兩者中較大的值：

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

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

考慮以下設計參數：

• 種類：20 %
• 人工晶狀體：1.6 A
• IOH：2.4 安
• △V_OUT_C：10毫伏
• V_US：5% V 輸出 = 250 mV
• V_OS：5% V 輸出 = 250 mV

我們得出 COUT 不能小于 8.33 μF。選擇最小值作為最小值，通過從所示的最后兩個等式計算 COUT 獲得的最大值，我們得出它必須大于 23.37 μF（相對于 16.0 μF）。對于物理實現，選擇了一個值為 47.0 μF 的電容器。

肖特基二極管選擇

二極管的擊穿電壓應至少比最大輸入電壓大 25%。為了提高可靠性，二極管支持的電流必須至少等于轉換器的最大輸出電流。在這種情況下，選擇一個可以支持最大 2 A 電流的二極管 在任何情況下，都可以考慮一個能夠支持 IOUT × (1 ? D) [A] 的二極管，其中 D 是轉換器的占空比開關信號。

輸入電容選擇

在 LMR16020 的數據表之后，注意到需要一個容量來過濾高頻。建議使用 4.7 μF 到 10 μF 的電容，但也可以使用 100 nF 的電容，實際上選擇了后者。

自舉電容選擇

始終按照 LMR16020 的數據表插入一個電容器 CBOOT，它起到自舉電容器的作用，其值為 100 nF，能夠支持至少 16 V 的電壓。

降壓轉換器仿真

從仿真中可以首先注意到電壓達到 5 V 的期望值。隨后，電路達到穩定狀態大約需要 4.5 ms，這對于將要使用的應用類型來說已經足夠了。需要注意的是，輸出電流的平均值不是 2A，而是更低。無論如何，輸出電流也足以為 Jetson Nano 供電。最后，可以觀察到輸出電壓的紋波極低，幾乎不存在，而輸出電流的紋波非常重要。通過設備的物理測試，我們將確定電路的整體質量。

PCB布線和物理實現

電路物理結構的一個重要方面是尺寸：由于電壓轉換器的物理位置必須靠近其他電子板，因此它越小，插入就越舒適。布線完全在單層上進行，從而避免了在前層和后層之間創建布線。該電路將通過一個 5mm DC 連接器連接到電池，同時可以通過螺絲刀針連接到后者的輸出。

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舊版

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最終版本

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