描述

降壓轉(zhuǎn)換器介紹

在電動(dòng)汽車(chē)中，電池組兩端的電位差總是遠(yuǎn)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(chēng)為“降壓轉(zhuǎn)換器”的特殊電子電路。通過(guò)這些設(shè)備，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。

為了實(shí)現(xiàn) PCB，我依靠 JLCPCB，這是一家以真正具有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格生產(chǎn)高質(zhì)量 PCB 的領(lǐng)先公司。由于使用了 EasyEda，因此可以輕松地將 PCB 投入生產(chǎn)，您可以在其中選擇多種參數(shù)，例如：顏色、尺寸、電氣測(cè)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(fā)送給您的可能性！

最后，他們還可以進(jìn)行RoHS測(cè)試，大批量生產(chǎn)PCB，這樣也能滿足企業(yè)的需求。

具體來(lái)說(shuō)，如果您選擇只生產(chǎn) 5 塊 PCB，則價(jià)格為 2 美元！

第一塊 PCB（用于測(cè)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(guò)集成的 LMR16020 開(kāi)發(fā)降壓轉(zhuǎn)換器。該集成感興趣的特殊性如下：

• 1、輸入電壓范圍：4、3V～60V。考慮使用標(biāo)稱(chēng)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)低功耗設(shè)備供電，或者為單個(gè)更大的設(shè)備供電，例如 Nvidia Jetson Nano
• 集成高端MOSFET。這樣可以節(jié)省PCB上的空間，避免選擇合適的mosfet的問(wèn)題，使電路更高效
• 超低 40 μA OQC 和超低 1 μA 關(guān)斷電流。集成設(shè)計(jì)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(jié)省能源，延長(zhǎng)電池壽命
• 熱保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)和短路保護(hù)。在所有“降壓轉(zhuǎn)換器”IC 上都無(wú)法保證的非常重要的方面，可以在出現(xiàn)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)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(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(kāi)關(guān)頻率：f_SW 600 KHz

輸出電壓設(shè)定點(diǎn)

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(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。與這兩個(gè)電阻相關(guān)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(jié)果為 17.8 kΩ。

開(kāi)關(guān)頻率

要計(jì)算電阻 RT 的值，可以設(shè)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(shí)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?yún)?shù)，但最重要的是要獲得的最大電流紋波。后者越大，整個(gè)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(lái)計(jì)算。將 KIND 視為表示相對(duì)于最大輸出電流的電流紋波量的系數(shù)，將其設(shè)置為 20% 即可獲得令人滿意的結(jié)果。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，為電感計(jì)算選擇了以下參數(shù)：

• 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(jìn)行實(shí)際實(shí)現(xiàn)。這樣就得到了0.400 A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。輸出端的紋波由兩個(gè)基本成分組成：第一個(gè)是電感輸出端出現(xiàn)的紋波穿過(guò)電容器等效串聯(lián)電阻 (ESR) 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) = (KIND × IOUT) / (8 × f_SW × C_OUT)

由于這兩個(gè)組件彼此異相，因此整體輸出紋波較低。要計(jì)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(shè)計(jì)參數(shù)：

• 種類(lèi)：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(guò)從所示的最后兩個(gè)等式計(jì)算 COUT 獲得的最大值，我們得出它必須大于 23.37 μF（相對(duì)于 16.0 μF）。對(duì)于物理實(shí)現(xiàn)，選擇了一個(gè)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(yīng)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(zhuǎn)換器的最大輸出電流。在這種情況下，選擇一個(gè)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(gè)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(kāi)關(guān)信號(hào)。

輸入電容選擇

在 LMR16020 的數(shù)據(jù)表之后，注意到需要一個(gè)容量來(lái)過(guò)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(shí)際上選擇了后者。

自舉電容選擇

始終按照 LMR16020 的數(shù)據(jù)表插入一個(gè)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(zhuǎn)換器仿真

從仿真中可以首先注意到電壓達(dá)到 5 V 的期望值。隨后，電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)大約需要 4.5 ms，這對(duì)于將要使用的應(yīng)用類(lèi)型來(lái)說(shuō)已經(jīng)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(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，而輸出電流的紋波非常重要。通過(guò)設(shè)備的物理測(cè)試，我們將確定電路的整體質(zhì)量。

PCB布線和物理實(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(jìn)行，從而避免了在前層和后層之間創(chuàng)建布線。該電路將通過(guò)一個(gè) 5mm DC 連接器連接到電池，同時(shí)可以通過(guò)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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