资料介绍
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”的特殊电子威廉希尔官方网站 。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 上并将完成的威廉希尔官方网站 发送给您的可能性!
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第一块 PCB(用于测试)
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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,使威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站
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,整个威廉希尔官方网站 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,威廉希尔官方网站 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,我们将确定威廉希尔官方网站 的整体质量。
PCB布线和物理实现
威廉希尔官方网站 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。该威廉希尔官方网站 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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