前要知识

• 电源篇2——降压芯片BUCK的原理 ：该节讲解了BUCK电路的原理。
• 电源篇3——降压BUCK芯片举例 ：该节讲解了一些同步BUCK芯片的数据手册，本节将按照其中所讲的TPS54302，利用立创EDA绘制。
• 软件篇——嘉立创EDA（专业版）下载 ：该节讲解了嘉立创EDA（专业版）软件的下载方式。

输入输出特性规划

要使用降压芯片绘制一个合理的降压模块，首先要规划模块总体的的输入输出特性，如此才能从从总体出发，落实到细节。

对于一个降压模块，一般不将信号输出脚引出的话，是一个二端口网络，如下图所示。

其输入，输出特性无非四个参数，输入电压$U_i$、输入电流$I_i$、输出电压$U_o$、输出电压$I_o$。
由于能量守恒定律，在考察模块的输入输出特性时候，一般不考虑输入电流$I_i$，因为输入输出电压关乎到电源轨的变换问题，而输入电流$I_i$一般比输出电流$I_o$小，只要芯片能承受住输出电流$I_o$，那输入电流问题就不大。

为方便阅读，在此事先说明，本次设计的降压模块，输入电压范围为7.4V-28V，输出5V@3A的电流。
以下在此略作解释：

输出电压$U_o$

根据数据手册的说法，输出电压的合理范围应为0-28V，所以最终的输出应当落于这个范围之间。

嵌入式的电子系统，常常使用5V给一些模块供电（例如蜂鸣器等）。所以本次绘制采用较为常见的5V，作为输出目标。

输出电流$I_o$

芯片内置MOS管输出电流位3A，所以设定输出电流在3A。

输入电压$U_i$

由于是降压芯片，显然输入电压是不会小于输出电压的，也就是$U_i>5$，同时，因为高边开关$Q_H$的导通需要依靠自举电容$C_{BOOT}$的升压，自举电容的升压又依靠低边开关$Q_L$的导通，所以低边开关的导通必然占据一定的时间，这段时间势必造成压降。
假设一个周期内$20\%$的时间是低边开关$Q_L$导通，则：
$$\begin{array}{c}80\%\times U_i+20\%\times 0=U_o\end{array}$$
输入电压$U_i>6.25$V。在此保险起见，设定输入电压不低于7.4V。

根据数据手册的说法，输入电压的最大值，应为30V，同样为了保险起见，设定输入电压最大值为28V。

元器件参数设定

在数据手册中，已经给出了相关设计图：

为方便阅读，在此事先给出所有分立元件的指标：

• 电阻$R_1$，贴片电阻，厚膜电阻，阻值$49.9\Omega \pm 1\%$，封装0603。
• 电阻$R_2$，贴片电阻，厚膜电阻，阻值$100k\Omega \pm 1\%$，封装0603。
• 电阻$R_3$，贴片电阻，厚膜电阻，阻值$13.3k\Omega \pm 1\%$，封装0603。
• 电阻$R_4$，贴片电阻，厚膜电阻，阻值$511k\Omega \pm 1\%$，封装0603。
• 电阻$R_5$，贴片电阻，厚膜电阻，阻值$105k\Omega \pm 1\%$，封装0603。
• 电容$C_1$，贴片电容，MLCC，容值$10\mu F\pm 20\%$，耐压28V以上，封装0805。
• 电容$C_2$，贴片电容，MLCC，容值$100nF\pm 20\%$，耐压28V以上，封装0603。
• 电容$C_3$，贴片电容，MLCC，容值$100nF\pm 20\%$，耐压7V以上，封装0603。
• 电容$C_4$，贴片电容，MLCC，容值$22\mu F\pm 20\%$，耐压5V以上，封装0805。
• 电容$C_5$，贴片电容，MLCC，容值$22\mu F\pm 20\%$，耐压5V以上，封装0805。
• 电容$C_6$，贴片电容，MLCC，容值$75pF\pm 20\%$，耐压5V以上，封装0603。
• 电感$L_1$，贴片电感，功率电感，感值$10\mu H\pm 20\%$，过流3.3A。

当然，实际可以归并一些元器件，比如电容$C_2$和$C_3$均购买耐压28V以上的，那只要买一个厂家的就可以了；实际也可以做一些改变，比如把电阻$R_5$的阻值改为$100k\Omega \pm 1\%$，那就可以和$R_2$一并购买了。

以下将一一说明所有参数的得来方式。

电阻

对于BUCK电路来说，功率线上面是没有电阻的，换句话说，所有电阻均不会流过大电流，电阻上的功率便不会太大，一般0603封装的千欧姆级别电阻就可以抗住。所以电阻封装均为0603。

在电阻选型篇中说过，$5\%$精度的电阻阻值范围太大，精度不够；$0.5\%$精度的电阻又太贵，所以电阻精度均选用$\pm 1\%$。

反馈电阻$R_1$、$R_2$、$R_2$

根据反馈电路的公式，FB引脚的电压$U_{FB}$和输出电压$U_o$的关系为：
$$\begin{array}{c}\frac{U_{FB}}{R_3}=\frac{U_o}{R_1+R_2+R_3}\end{array}$$
其中，输出电压$U_o=5$V，反馈电压$U_{FB}=0.596$V。

反馈电压的典型值可以从数据手册上找到，与实际芯片偏差值不大，基本可以满足一般的使用要求，如果有精度需求，也是先按典型值设计，实际焊接测量后再反推反馈电压，修改反馈电阻值。

综上所述，反馈电阻采用精度为$1\%$的0603封装千欧级贴片电阻，阻值满足公式（4）即可。
$$\begin{array}{c}\frac{R_1+R_2}{R_3}+1=\frac{R_1+R_2+R_3}{R_3}=\frac{U_o}{U_{FB}}=\frac{5}{0.596}\approx 8.3892\\ \frac{R_1+R_2}{R_3}\approx 7.3892\end{array}$$

多提一嘴，一般的反馈电阻一般只需要$R_2$和$R_3$即可成立，在这里为了方便调整输出电压的调整，同时方便测试环路相应，因此加了个小电阻$R_1$。利用反馈电压的典型值$U_{FB}=0.596$V，分别使用式（5）和（6）计算有无$R_1$时的电压输出，相差仅为0.002V，这大可以说明$R_1$对于整体反馈回路的无足轻重。
$$\begin{array}{c}{U}_i=U_{FB}\times \frac{R_1+R_2+R_3}{R_3}=0.596\times \frac{49.9+100\times 10^3+13.3\times 10^3}{13.3\times 10^3}\approx 5.0794\\ U_i^{\prime }=U_{FB}\times \frac{R_2+R_3}{R_3}=0.596\times \frac{100\times 10^3+13.3\times 10^3}{13.3\times 10^3}\approx 5.0772\end{array}$$

使能电阻$R_4$、$R_5$

对于TPS54302的EN引脚来说，因为内部有电流源，所以即使直接悬空，使能引脚也是默认打开的。
此处为了方便扩展到其他芯片，所以也会给出使能电阻的设计方案。

首先是使能引脚的供电来源，一定是来自输入电压$U_i$，而不可能来自输出电压$U_o$，不然使能引脚和电压输出互为前提，那芯片便不可能正常工作，所以得到公式：
$$\begin{array}{c}\frac{U_{EN}}{R_5}=\frac{U_i}{R_4+R_5}\end{array}$$
使能引脚的触发范围$U_{EN}$为1.21V-7V，其中1.21V由使能引脚的使能阈值给出；7V由使能引脚的最大耐压值给出。


为了满足对于要求的输入电压$7.4V\le U_i\le 28V$均可以满足导通条件，可以构造不等式：
$$\begin{array}{c}\{\begin{array}{l}1.21\le 7.4\times \frac{R_5}{R_4+R_5}\le 7\\ 1.21\le 28\times \frac{R_5}{R_4+R_5}\le 7\end{array}\end{array}$$
解得：
$$\begin{array}{c}3\le \frac{R_4}{R_5}\le \frac{619}{121}\approx 5.1157\end{array}$$
同样的，反馈电阻采用精度为$1\%$的0603封装千欧级贴片电阻，阻值满足公式（9）即可。

电容

大学电学竞赛一般都是低于48V的，所以电容买耐压50V比较合适，哪里都能用。$10\mu F$以下的电容，0603封装就足以达到该耐压，$10\mu F-44\mu F$的电容就推荐使用0805的封装了，再大，$100\mu F$以上的电容推荐使用铝电解电容（直插和贴片都行）。

输入电容$C_1$、$C_2$

BUCK电路的输入电容一般不大，$10\mu F$加$100nF$ 的常见滤波组合就可以了。起到一个上管开关时候的电流续流作用。

其并联在输入电压$U_i$上，所以耐压应当大于输入电压$U_i$。

自举电容$C_3$

自举电容一般就是$100nF-1\mu F$这个区间。
如果容值过小，内部存储的电荷过少，不支持上管长时间导通；
如果容值过大，充电时间过长，容易导致下管导通时间，没法给电容积累足够的电荷，此时自举电压奖不足以支撑上管的长时间导通。

对于一般自举电容的耐压，需要看输入电压$U_i$的大小，在下管导通时，输入电压$U_i$给电容充电，此时电容两端电压达到最大；上管导通时，电容放电，反而电压降低。因此自举电容的的耐压应与输入电压$U_i$一致才较为恰当。

不过，TPS54302有限压措施，使得$U_{BOOT}-U_{SW}$的电压不超过7V，因此一端接在BOOT脚，一端接在SW脚的自举电容$C_3$两端电压最高为7V。

输出电容$C_4$、$C_5$

对于输出电容来说，因为主要是滤除交流分量的作用，所以越大越好。因此这里选用了两个$22\mu F$电容并联作为输出电容，也有$100\mu F$甚至是$220\mu F$的做法。当然，这势必会使电源模块变大。

至于耐压，输出电容应该至少是输出电压大小。为了防止输出震荡对于电容的损害，最好在输出电压的基础上增大两到三倍。

前馈电容$C_6$

前馈电容$C_6$作为反馈输出的校正电容，一般来说是比较小的，基本上是$100pF$以下的量级。

前馈电容的耐压是$U_o-U_{FB}$，一般简化的看为$U_o$，而$pF$级别的电容耐压都是50V以上的，所以此处的耐压不需过度重视。

电感

对于电感$L_1$，同样作为滤除高频交流分量的器件，本身感值越大越好。

此处，电感作为输出通路上唯二的器件（另一个是高、低边MOS开关），最重要的是过流的选择，因为要输出3A，所以电感的过流不应该小于3A。

原理图绘制

根据上述的电路原理图和原件选型，我们可以给出下面的电路原理图。为了输入输出电源，在原理图之外添加了四个1x2P的排针。

其中每个元件的对应参数如下所示：

编号	位号	类型	立创商城编号	名称	数量
1	C1,C6	电容	C1591	100nF	2
2	C2	电容	C282074	75pF	1
3	C3,C4	电容	C45783	22uF	2
4	C5	电容	C2932476	10uF	1
5	H1,H2,H3,H4	排针	C492401	PZ254V-11-02P	4
6	L1	电感	C177248	10uH	1
7	R1	电阻	C23185	49.9Ω	1
8	R2,R4	电阻	C25803	100kΩ	2
9	R3	电阻	C23194	511kΩ	1
10	R5	电阻	C25952	13.3kΩ	1
11	U1	芯片	C311983	TPS54302DDCR	1

总结

以上，我们按照给出的输入输出的特性规划，给出了对应的元件选型，按照数据手册给出的推荐原理图，绘制的电源模块的原理图。

后记

这是我硬件入门电源篇的一节，如果你也想入门硬件，欢迎来看我的博文。

博文总目录链接：大学电子类竞赛硬件入门综述