48V -5V（10W）DC-DC降压转换器

用途广泛的DC-DC转换器，在5V 2A时具有稳定的输出，可用于为arduino，raspberry pi，Jetson Nano等供电。

硬件部件：

• 德州仪器LMR16020×    1个    

软件应用程序和在线服务：

• Easyeda

手动工具和制造机：

• 烙铁（通用）

在电动汽车中，电池组两端的电位差始终远大于控制逻辑板工作时的电压。由于需要低压电源线（通常等于5V），因此有必要使用称为“降压转换器”的特殊电子电路。通过这些装置，可以非常有效地转换电压，实际上，可以达到等于95％的η值。

LMR16020选择

在这种情况下，决定通过集成的LMR16020开发降压转换器。该集成的兴趣点如下：
•    1.输入电压范围：4、3 V至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率设备或单个较大的设备（如Nvidia Jetson Nano）供电。
•    集成式高端Mosfet。这样可以节省PCB上的空间并避免选择合适的MOSFET来提高电路效率的问题
•    关断模式下的OQC超低40μA，电流超低1μA。集成的设计旨在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
•    过热，过压和短路保护。并非所有“降压转换器” IC都能保证的非常重要的方面，有可能在发生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为：
•    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 1μA
•    I_HY S 3.6μA
•    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

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，根据需要设置LMR16020交付的输出电压。与两个电阻器相关的方程式如下：
RFBT =（V_OUT − 0.75）/0.75×RF BB
考虑到V_OUT电压等于5V，为R_FBT选择100kΩ的值，我们得出R_FBB约为17.65kΩ。取整，结果为17.8kΩ。

开关频率

为了计算能够设置工作频率的电阻RT的值，必须考虑以下公式：
RT（kΩ）= 42904×fSW（kHz）^（− 1.088）
考虑到600 kHz的工作频率，我们得出RT值为40.72kΩ。因此，最接近理论电阻的实际电阻值为41.2kΩ。

输出电感选择

要选择电感值，必须考虑一些输入参数，但首先要获得最大电流纹波。后者越大，整个电路的效率越差。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视为代表相对于最大输出电流的电流纹波量的系数，将其设置为令人满意的结果20％。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，选择以下参数进行电感计算：
•    V_IN_MAX：48 V
•    V_OUT：5.0 V
•    f_SW：600 kHz
•    K_IND：20％
获得的LMIN最小电感值为17.716μH，随后为实际实现选择22.0μH的电感。以这种方式，获得了0.400A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。输出上的这种纹波由两个基本成分组成：第一个是电感器输出上存在的纹波与电容器的等效串联电阻（ESR）相交的结果：
△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）=（种类×IOUT）/（8×f_SW×C_OUT）
由于两个组件彼此异相，因此总输出纹波较低。要计算容量的最小值，请使用以下公式，然后取两个值中的较大者：
COUT> 3×（IOH-IOL）/（f_SW×V _US）
COUT>（I_OH ^ 2 − I_OL ^ 2）/ [（V_OUT + V_OS）^ 2 − V_OUT ^ 2]×L
考虑以下设计参数：
•    种类：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
我们得出COUT不能小于8.33μF。根据显示的最后两个方程式选择COUT得出的最大值作为最小值，我们得出该值必须大于23.37μF（相对于16.0μF）。为了物理实现，选择了一个值为47.0μF的电容器。

肖特基二极管的选择

二极管的击穿电压应至少比最大输入电压大25％。为了获得更高的可靠性，二极管所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，选择的二极管可以支持最大2 A的电流。在任何情况下，都可以考虑能够支持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，请注意，需要有一个容量来过滤高频。建议使用4.7 F至10 F的电容，但也可以使用100 nF的电容，实际上是选择了后者。

自举电容器的选择

始终遵循LMR16020的数据表，插入一个电容CBOOT，该电容起自举电容器的作用，其值为100 nF，并且能够支持至少16 V的电压。

降压转换器仿真

 
LMR16020仿真

从仿真中可以首先注意到电压达到了5 V的期望值。随后，达到稳态时，电路大约需要4.5 ms，这对于将要使用的应用程序类型是足够的。应当注意，输出电流的平均值不是2A而是较低的。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，而输出电流的纹波则非常重要。通过对设备的物理测试，我们将确定电路的整体质量。

PCB布线与物理实现

电路物理结构的一个重要方面是尺寸：由于电压转换器必须在物理上靠近其他电子板放置，因此尺寸越小，插入的舒适度就越高。路由完全在单层上执行，因此避免了在前层和后层之间创建路由。该电路将通过5mm DC连接器连接至电池，同时可以通过螺丝刀引脚将其连接至电池的输出。

LMR16020 PCB布线

LMR16020 PCB设计

最终的PCB结果