48V -5V（10W）DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器

用途廣泛的DC-DC轉(zhuǎn)換器，在5V 2A時(shí)具有穩(wěn)定的輸出，可用于為arduino，raspberry pi，Jetson Nano等供電。

硬件部件：

• 德州儀器LMR16020×    1個(gè)    

軟件應(yīng)用程序和在線服務(wù)：

• Easyeda

手動(dòng)工具和制造機(jī)：

• 烙鐵（通用）

在電動(dòng)汽車中，電池組兩端的電位差始終遠(yuǎn)大于控制邏輯板工作時(shí)的電壓。由于需要低壓電源線（通常等于5V），因此有必要使用稱為“降壓轉(zhuǎn)換器”的特殊電子電路。通過(guò)這些裝置，可以非常有效地轉(zhuǎn)換電壓，實(shí)際上，可以達(dá)到等于95％的η值。

LMR16020選擇

在這種情況下，決定通過(guò)集成的LMR16020開發(fā)降壓轉(zhuǎn)換器。該集成的興趣點(diǎn)如下：
•    1.輸入電壓范圍：4、3 V至60V。考慮使用標(biāo)稱電壓為48V的電池組，降壓轉(zhuǎn)換器工作的電壓范圍適合應(yīng)對(duì)電池提供的電壓
•    2. 2 A連續(xù)輸出電流。這樣的輸出電流可以同時(shí)為多個(gè)低功率設(shè)備或單個(gè)較大的設(shè)備（如Nvidia Jetson Nano）供電。
•    集成式高端Mosfet。這樣可以節(jié)省PCB上的空間并避免選擇合適的MOSFET來(lái)提高電路效率的問(wèn)題
•    關(guān)斷模式下的OQC超低40μA，電流超低1μA。集成的設(shè)計(jì)旨在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(jié)省能源，延長(zhǎng)電池壽命
•    過(guò)熱，過(guò)壓和短路保護(hù)。并非所有“降壓轉(zhuǎn)換器” IC都能保證的非常重要的方面，有可能在發(fā)生故障時(shí)保留數(shù)字邏輯電路

設(shè)計(jì)所需參數(shù)

構(gòu)建降壓轉(zhuǎn)換器所需的參數(shù)為：
•    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 1μA
•    I_HY S 3.6μA
•    瞬態(tài)響應(yīng)0.2 A至2 A：5％
•    輸出電壓紋波：10mV
•    輸入電壓紋波：400 mV
•    開關(guān)頻率：f_SW 600 KHz

輸出電壓設(shè)定點(diǎn)

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(jù)需要設(shè)置LMR16020交付的輸出電壓。與兩個(gè)電阻器相關(guān)的方程式如下：
RFBT =（V_OUT − 0.75）/0.75×RF BB
考慮到V_OUT電壓等于5V，為R_FBT選擇100kΩ的值，我們得出R_FBB約為17.65kΩ。取整，結(jié)果為17.8kΩ。

開關(guān)頻率

為了計(jì)算能夠設(shè)置工作頻率的電阻RT的值，必須考慮以下公式：
RT（kΩ）= 42904×fSW（kHz）^（− 1.088）
考慮到600 kHz的工作頻率，我們得出RT值為40.72kΩ。因此，最接近理論電阻的實(shí)際電阻值為41.2kΩ。

輸出電感選擇

要選擇電感值，必須考慮一些輸入?yún)?shù)，但首先要獲得最大電流紋波。后者越大，整個(gè)電路的效率越差。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(lái)計(jì)算。將KIND視為代表相對(duì)于最大輸出電流的電流紋波量的系數(shù)，將其設(shè)置為令人滿意的結(jié)果20％。電感值的計(jì)算繼續(xù)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，選擇以下參數(shù)進(jìn)行電感計(jì)算：
•    V_IN_MAX：48 V
•    V_OUT：5.0 V
•    f_SW：600 kHz
•    K_IND：20％
獲得的LMIN最小電感值為17.716μH，隨后為實(shí)際實(shí)現(xiàn)選擇22.0μH的電感。以這種方式，獲得了0.400A的紋波值。

輸出電容選擇

當(dāng)轉(zhuǎn)換器處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電容器負(fù)責(zé)管理輸出電壓紋波。輸出上的這種紋波由兩個(gè)基本成分組成：第一個(gè)是電感器輸出上存在的紋波與電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）相交的結(jié)果：
△V OUT =△iL×ESR = K_IND×I_OUT×ESR
第二個(gè)貢獻(xiàn)是由對(duì)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）=（種類×IOUT）/（8×f_SW×C_OUT）
由于兩個(gè)組件彼此異相，因此總輸出紋波較低。要計(jì)算容量的最小值，請(qǐng)使用以下公式，然后取兩個(gè)值中的較大者：
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(shè)計(jì)參數(shù)：
•    種類：20％
•    IOL：1.6 A
•    IOH：2.4 A
•    △V_OUT_C：10毫伏
•    V_US：5％V OUT = 250 mV
•    V_OS：5％V OUT = 250 mV
我們得出COUT不能小于8.33μF。根據(jù)顯示的最后兩個(gè)方程式選擇COUT得出的最大值作為最小值，我們得出該值必須大于23.37μF（相對(duì)于16.0μF）。為了物理實(shí)現(xiàn)，選擇了一個(gè)值為47.0μF的電容器。

肖特基二極管的選擇

二極管的擊穿電壓應(yīng)至少比最大輸入電壓大25％。為了獲得更高的可靠性，二極管所支持的電流必須至少等于轉(zhuǎn)換器的最大輸出電流。在這種情況下，選擇的二極管可以支持最大2 A的電流。在任何情況下，都可以考慮能夠支持IOUT×（1- D）[A]的二極管，其中D是轉(zhuǎn)換器的占空比開關(guān)信號(hào)。

輸入電容選擇

在LMR16020的數(shù)據(jù)表之后，請(qǐng)注意，需要有一個(gè)容量來(lái)過(guò)濾高頻。建議使用4.7 F至10 F的電容，但也可以使用100 nF的電容，實(shí)際上是選擇了后者。

自舉電容器的選擇

始終遵循LMR16020的數(shù)據(jù)表，插入一個(gè)電容CBOOT，該電容起自舉電容器的作用，其值為100 nF，并且能夠支持至少16 V的電壓。

降壓轉(zhuǎn)換器仿真

 
LMR16020仿真

從仿真中可以首先注意到電壓達(dá)到了5 V的期望值。隨后，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，電路大約需要4.5 ms，這對(duì)于將要使用的應(yīng)用程序類型是足夠的。應(yīng)當(dāng)注意，輸出電流的平均值不是2A而是較低的。無(wú)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，而輸出電流的紋波則非常重要。通過(guò)對(duì)設(shè)備的物理測(cè)試，我們將確定電路的整體質(zhì)量。

PCB布線與物理實(shí)現(xiàn)

電路物理結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要方面是尺寸：由于電壓轉(zhuǎn)換器必須在物理上靠近其他電子板放置，因此尺寸越小，插入的舒適度就越高。路由完全在單層上執(zhí)行，因此避免了在前層和后層之間創(chuàng)建路由。該電路將通過(guò)5mm DC連接器連接至電池，同時(shí)可以通過(guò)螺絲刀引腳將其連接至電池的輸出。

LMR16020 PCB布線

LMR16020 PCB設(shè)計(jì)

最終的PCB結(jié)果