一文看懂如何設(shè)計(jì)降壓電路

降壓模塊又稱降壓型DC to DC轉(zhuǎn)換器，可以有效的將直流高壓轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的低壓直流電，在手機(jī)、MP3、數(shù)碼相機(jī)等產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，降壓模塊售價(jià)低廉，最低端的只有1元多錢。

正面3D效果圖

設(shè)計(jì)目的：之前設(shè)計(jì)了一款集成飛控，本次設(shè)計(jì)驗(yàn)證降壓模塊方案，以便后續(xù)集成于飛控系統(tǒng)

設(shè)計(jì)本電路電路板所需知識(shí)：直流、交流電，PWM信號(hào)，MOS管參數(shù)/工作原理，電感參數(shù)/工作原理

反面3D效果圖

設(shè)計(jì)步驟:

1.深入了解DC to DC的工作原理

1.1一個(gè)完整的DC to DC模塊分為三大部分，控制器芯片；N溝MOSFET（上管and下管）；電感，濾波電容 。下面逐一介紹。

1）控制器芯片：根據(jù)用戶配置的電阻、電容輸出對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)控制MOSFET已達(dá)到控制兩個(gè)MOS管之間電壓的效果，高端的控制器還會(huì)帶有其它的控制方案，例如恒流輸出等...

2）N溝MOSFET：一個(gè)完整的DC to DC模塊需要兩個(gè)MOSFET，分別充當(dāng)上管和下管，Gate端由降壓控制器芯片控制，上管的Drain連接輸入電壓，Source連接下管的Drain（這里被稱作SW,Switch），下管的Source接地。當(dāng)控制器控制兩管連續(xù)開、關(guān)，在SW就形成了穩(wěn)定的高低電平，高壓為輸入電壓+，低壓為0V

3）SW連接功率電感：電感起到阻礙高壓通過(guò)、在低壓時(shí)供電的坐擁，達(dá)到穩(wěn)定電壓的效果并連接輸出正極

4）濾波電容：輸入、輸出正極與地之間連接電容，達(dá)到濾波的效果，低壓時(shí)放電，高壓時(shí)充電

1.2其它小知識(shí)，不是所有的DC to DC都有這三部分，有的芯片集成度較高，可以把前三項(xiàng)集成在同一芯片內(nèi)，但集成度越高，輸出電流越小，畢竟熱耗散一直是一個(gè)未能有效解決的問(wèn)題。

2.確定需求

2.1大型固定翼無(wú)人機(jī)往往需要5V左右的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，例如無(wú)線電通信裝置，舵機(jī)，GPS等...

2.2需求電流大約在10A左右，為了留有余量，卻20A為降壓模塊能達(dá)到的最大輸出

2.3大電流必然造成較大熱損耗，所以不能使用一體型降壓芯片（芯片內(nèi)集成控制器，N MOSFET，電感），必須使用外置MOS、電感的降壓控制器芯片

3.降壓控制器芯片選型

3.1做這個(gè)方面的廠家有TI（德州儀器Texas Instruments）、ST（意法半導(dǎo)體STMicroelectronics）、MPS（芯源系統(tǒng)Monolithic Power Systems, Inc），歡迎評(píng)論區(qū)內(nèi)補(bǔ)充！

3.2考慮到成本，開發(fā)便捷性，本教程選用了一顆來(lái)自TI的LM25116MHX降壓控制器芯片，最大輸入42V對(duì)于絕大多數(shù)無(wú)人機(jī)電池來(lái)說(shuō)綽綽有余，最大輸出電流為20A，內(nèi)置電流傳感器，溫度傳感器，防短路等保護(hù)措施

4.開始設(shè)計(jì)原理圖

4.1學(xué)習(xí)LM25116MHX的數(shù)據(jù)手冊(cè)（TI的數(shù)據(jù)手冊(cè)似乎不讓轉(zhuǎn)載，只能在官網(wǎng)上獲www.ti.com）（數(shù)據(jù)手冊(cè)鏈接：
https://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/lm25116.pdf），找到典型應(yīng)用圖

典型應(yīng)用圖

只給出了5V7A的應(yīng)用圖，怎么辦呢，有三個(gè)解決方案

1）按照數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的電阻、電容、電感、MOS型號(hào)計(jì)算公式計(jì)算合適的型號(hào)（推薦，加強(qiáng)對(duì)于電路工作的理解，但缺點(diǎn)是自己容易算錯(cuò)and漏算）

2）再找找網(wǎng)上有沒(méi)有開源的電路設(shè)計(jì)（不推薦，別人開源的總不是你的，問(wèn)題可能會(huì)有很多，而且后期不方便排查）

3）使用官方的設(shè)計(jì)軟件自動(dòng)生成原理圖（推薦，方便快捷，介紹詳細(xì)，幾乎不會(huì)出錯(cuò)）

所以我這里使用第三種方案，TI的電源設(shè)計(jì)軟件Webench?Power Designer（軟件鏈接：
https://webench.ti.com/power-designer/switching-regulator）

改過(guò)頻率后的生成原理圖

這是它給出的設(shè)計(jì)建議，可是效率看起來(lái)不太高，小調(diào)一下參數(shù)控制器中的頻率（一般來(lái)說(shuō)開關(guān)頻率越低效率越高，但體積越大）

自動(dòng)的生成原理圖

效率提高了1.1%，看起來(lái)不是很高，但在最大100W輸出時(shí)能的降低1.1W熱耗散其實(shí)已經(jīng)很優(yōu)秀了。

4.2按照參考設(shè)計(jì)很快就能設(shè)計(jì)出原理圖（理論上），但是參考設(shè)計(jì)給出的兩顆MOSFET價(jià)格不菲，而且淘寶上并沒(méi)有單賣的，所以下一步，MOSFET選型

4.3淘寶上最常見的大功率類SON8的MOSFET就是onsemi（安森美）的NTFMSxCxxx系列，但并不能隨便找一個(gè)，有參數(shù)要求

上管要求：Rds_on(10V) ~= 8 m-ohm；Qgs(10V、35A) ~= 3nC

下管要求：Rds_on(10V) ~= 2 m-ohm；Qgs(10V、35A) ~= 27nC

（以上數(shù)據(jù)均由數(shù)據(jù)表提供）

進(jìn)入onsemi的MOSFET選型頁(yè)面很快就能發(fā)現(xiàn)我們需要的型號(hào)：NTMFS5C670NLT1G（上管）；NTMFS5C430NLT1G（下管）

4.4依照軟件自動(dòng)生成的原理圖制作原理圖（難度1星）

原理圖

（PS：額外增添了一些電容，可以一定減小電源紋波；使用了自定義焊盤和xt30插口供電、輸出）

5. 設(shè)計(jì)PCB（Printed Circuit Board，電路板）

5.1原理圖轉(zhuǎn)PCB

轉(zhuǎn)換完成后，程序只是將元件自動(dòng)擺放，沒(méi)有按照設(shè)計(jì)規(guī)則擺放，所以下一步是PCB布局

轉(zhuǎn)換之后的原理圖

5.2 PCB布局

原件布局有一定的要求

1）實(shí)用（盡可能壓縮體積，但也要方便SMT，例如多引腳芯片周圍1.5mm旁不應(yīng)有任何貼片原件）

2）滿足設(shè)計(jì)要求（高壓低壓元件分離、濾波電容靠近用電器）

3）美觀（對(duì)稱性）

布局后

5.3 PCB布線

兩種方法：自動(dòng)布線、手動(dòng)布線

1）自動(dòng)布線（布線雜亂，有許多不合理的地方，在布線程序沒(méi)有進(jìn)一步改進(jìn)時(shí)，不要使用）見下圖：

自動(dòng)布線

2）手動(dòng)布線、鋪銅（推薦，原因很多，例如：能夠根據(jù)電流大小調(diào)整線寬）見下圖：

手動(dòng)布線

是不是排布整齊很多？

5.5 PCB絲印設(shè)計(jì)（焊盤旁設(shè)計(jì)絲印，提供使用者參考）

5.6 提交廠方

推薦JLC的免費(fèi)打樣，單、雙、四層PCB均免費(fèi)，五張SMT的工程費(fèi)也只需50元，堪稱懶人福音。

6.  成品展示

目前快遞不能送達(dá)，所缺的元件無(wú)法購(gòu)買，所以沒(méi)法測(cè)試，只能展示一下PCB的3D模型。