DC-DC-基于mp2980的24V转19V模块设计

通过MP2980芯片实现24V转19V的DC-DC输出。最高可达10A输出，也支持17、20V输入。预留了风扇接口，体积50x50cm。

一、器件选型
在系统输入电压 $V_{IN\_MAX}=24\mathrm{V}$ 、输出 $V_{IN_MAX}=19\mathrm{V}$ ，开关频率设定为 400kHz（FS直接通过100kΩ电阻R3连接到VAVDD）的工况下，选型如下：

MOS管：CSD18540Q5B

器件1.png
漏源电压 $V_{DSS}=60V\geq V_{IN\_MAX}\times1.5=24\mathrm{V}\times1.5=36\mathrm{V}$
连续漏极电流 $I_{D\_MAX}=205\mathrm{A}\gg10\mathrm{A}\times1.5=15\mathrm{A}$
阈值电压 $V_{GS\left(th\right)}=1.9VI_{PEAK}$
栅极电荷量 $Q_g=41\mathrm{nC}＜50nC$

电感：SMMS1770-100M

器件2.png
1770 一体成型合金大电流电感，电感量为 10μH
直流电阻 DCR=13mΩ，饱和电流 $I_{SAT}=25\mathrm{A}$ ，温升额定电流 $I_{RMS}=16.5\mathrm{A}$ 。
$\Delta I_L=\frac{V_{OUT}}{f_{sw}\times L_{BUCK}}\times\left(1-\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}\right)=0.990A$
$I_{PEAK}=I_{OUT}+\frac{\mathrm{\Delta}I_L}{2}=10+\frac{0.99}{2}\ =\ 10.495A$
电感饱和电流
$I_{SAT}=25A＞I_{PEAK}$
电感额定电流
$I_{RMS}=16.5A＞I_{OUT}$
目标输出电压：19V
FB配置：
$R_1=R_2\times\frac{V_{OUT}-V_{REF}}{V_{REF}}$
$R_1=10\mathrm{k\Omega}\times\frac{19\mathrm{V} -0.5\mathrm{\operatorname{V}} }{0.5\mathrm{V}}=10\mathrm{k\Omega}\times\frac{18.5}{0.5}=10\mathrm{k\Omega}\times37=370k\Omega$
由于实验室没有370kΩ的电阻，所以选择了360kΩ串联10kΩ电阻的方式。
输出电压纹波估算：
$\Delta V_{OUT}=\frac{V_{OUT}-V_{IN}}{V_{OUT}}\times\frac{I_{LOAD}}{C_{OUT}\times f_{sw}}$

$\Delta V_{OUT}=\frac{24-19}{19}\times\frac{10A}{235\mu\mathrm{F}\times400\mathrm{kHz}}\approx0.028\mathrm{V}=28\mathrm{mV}$

环路补偿
补偿电阻与电容参数基于官方 Figure 14 的标准 100W典型模型进行沿用。

环补.png

本系统参考 MP2980 官方典型应用电路，对控制器的 ADDR（地址选择与启动控制）引脚（第32脚）进行了硬件状态配置。

默认开启（ADDR = GND）的启动策略：
结合实际原理图设计，芯片的 ADDR 引脚通过100kΩ的下拉电阻（R8）直接连接至模拟地（GND）。根据 MP2980 官方技术规范，该配置将控制器配置为默认上电开启（Turns on by default）状态。此配置下，系统一旦接入 24V输入电源，便可直接硬件触发软启动（Soft-Start）控制流。电源将输出默认的 19V。

开关限流：
芯片内置降压谷值限流基准： $V_{LIMIT\_BUCK}=\mathbf{133}\mathrm{mV}$
采样电阻： $R_{SENSE}=5\mathrm{m}Ω$
$I_{L\_VALLEY}=\frac{I_{LIMIT\_BUCK}}{R_{SENSE}}=\frac{133\mathrm{mV} }{5\mathrm{m\Omega}}=26.6\mathrm{A}$

平均限流：
平均电流限制基准电压 $V_{REF}=130\mathrm{mV}$
采样电阻： $R_{SENSE}=5\mathrm{m}Ω$ （此处也可替换别的阻值进行限流，这里是为了方便）
$I_{OUT\_LIMIT}=\frac{130\mathrm{mV} }{5\mathrm{m\Omega}}\approx26.0\mathrm{A}$

缓启动时间（Soft-Start Time）配置
通过 SS 引脚外接电容配置软启动时间（ $t_{SS}$ ），以抑制上电浪涌电流。此处依据手册经典应用，外接电容 $C_{SS}=47\mathrm{nF}$ （可自行配置），芯片内部充电电流 $𝐼_{𝑆𝑆}≈6𝜇A$ ，参考电压 $𝑉_{𝑅𝐸𝐹}=0.5V$ 。当外接电容 $𝐶_{𝑆𝑆}=47nF$ 时，缓启动建立时间通过下式计算：
$t_{SS}=\frac{C_{SS}\times V_{REF}}{I_{SS}}=\frac{47\mathrm{nF} \times0.5\mathrm{\operatorname{V}} }{6\mu\mathrm{A}}\approx3.9\mathrm{ms}$

系统使能（EN）
不设置外部欠压锁定（UVLO）分压网络，使芯片处于常开自启动状态。EN 通过100kΩ电阻（R10）直接上拉至VIN。

输入电压调节（VINREG）功能配置
MP2980 内置输入电压动态调节（VINREG）环路。由于前级 24V供电电源功率充裕（大于系统额定190W需求），本设计不启用该输入调节功能。VINREG通过100kΩ电阻（R9）直接拉到AVDD（标准电压5.2V）。

二、测试指标
由于时间来不及（要准备期末考），只测试了以下指标:效率、开关稳定性、纹波。

三、总结
此次是我作为新手第一次尝试做一个较为完整的项目，需要感谢各个无私的开源项目、队内队长的指导！特别感谢MPS中国大学计划为我完成这个项目提供的支持，其为我们队伍提供了免费的mp2980样品！

以下是我遇到的一些问题：
（1）芯片容易虚焊，可以通过测量芯片VCC、VAVDD的值判断是否正常工作，焊接最好多加一点锡膏，用风枪焊接好后使用烙铁处理连锡，但也要注意芯片底面引脚之间不能虚焊。
（2）若输出电压不断跳变，需要检查自举电容是否正常焊接。
（3）若输出效率较低，可以检查PCB布局，CSP、CSN的采样电阻最好尽量远离SW。
（4）电感可以考虑换体积更小、感值更小的，以提高动态响应测试。