【MPS机器人挑战赛作品】MP9931 240W电源模块

1、项目简介

本项目参加《2025 MPS“智驱未来”机器人芯动力设计挑战赛》选题2：“机器人核心电源板”
在追求设计紧凑度的同时，保障供电效率、温度控制等核心性能达标，为机器人全域运行提供持久可靠的“动力源泉”！
作者第一次做大功率电源，平时项目都是几十瓦以内的板卡电源，希望评论区大佬多多指点，后续会持续更新优化！
因最近事情比较多，项目只完成了硬件部分，金属外壳及丝印还在制作中，整个产品可以当封装模块直接使用在设备板卡中，后续更近。

2、产品实物图

3、PCB设计图

体积：43.9x100x17mm=74.63cm³   不严谨计算功率密度在6.70 W/cm³，属于中高密度电源。

4、项目功能

本设计遵循赛题规定，48V/10A（480W）输入，使用两颗芯源科技的MP9931降压芯片降压至12V10A（120W）/24V8A（195W），其中24V6A（144W）直接输出，再通过两颗MP4317降压芯片降压出两路至5V5A（25W），并通过MP5017A负载开关进行过流检测/保护。

设备接口：48V输入/24V输出1/12V输出1/5V输出*2

5、项目参数

48V转12V

• 输出电压：12V±2%
• 设计输出电流应力：20A
• 设计输出功率240W
• 输出电压纹波：小于50mV
• 转换效率：96%
• 功率密度：8.02 W/cm3（中高级功率密度）
• 动态响应：待测

48V转24V

• 输出电压：24V±2%
• 设计输出电流应力：10A
• 设计输出功率240W
• 输出电压纹波：小于70mV
• 转换效率≥98%
• 功率密度：8.02 W/cm3（中高级功率密度）
• 动态响应：待测

6、硬件设计

器件选型及设计注意事项

1、输入电容

按这个公式算就没毛病，本设计使用两个220uF电解电容+6个10uF Mlcc（PCB有做冗余设计）+2个100nF Mlcc，因供电是开关电源纹波比较大所以设计输入纹波在100mV以内。

2、输出电容

手册中有3个公式，本设计电解电容占大头所以选公式12，两个470uF电解电容+6个10uF Mlcc（PCB有做冗余设计）+2个100nF Mlccc，输出设计纹波在50mV以内。

注:电解电龙一定要使用固态电容不然起不到滤波效果并且大电流会爆炸，耐压选择1.4倍以上，Mlcc需根据器件的直流偏压特性曲线来看选择多少耐压的来保证容值的有效性，一般这边选2倍以上

2、蓄能电感

公式为电感值的计算，这里的ΔIL指纹波电流一般是输出电流的50%最合适，计算值为9uH所以我们选择10uH的电感

公式为最大电流的计算，电感的饱和电流不能小于该值，计算值为24.5A，所以选择我们选择25-28A饱和电流的电感

注:电电感选型时还需要考虑电感的直流电阻（DCR），阻值过大会降低电源转换效率，并且会降低电感的持续电流长时间高温运行会严重发热，但越小的DCR体积就会越大需根据布局与结构综合考虑。

2、开关管

开关管是环路中主要的功耗核心，直接关系着环路稳定性与转换效率，主要关注RDS(on)和Qg理论上来越低越好，低的Rds可以降低大电流带来的导通损耗，低的Qg可以降低开关损耗，这两个值直接决定电源效率、开关速度、EMI、温升等关键性能。上面加粗的两个关键字可以去了解一下，不过多赘述，MOS管的两个值一般是成反比关系的，所以在实际项目应用中我们一般优先考虑低Qg值，因为高Qg带来的危害远比导通损耗来的严重。

本设计使用的MOS管JMSH1006AG-13（C7527402），其实从参数上满足本设计绰绰有余，主要看PCB功率环路做的好不好。

功率环路设计事项

DCDC降压包含开通电流环路（绿色）和管断电流环路（红色），布局一定要短、宽尽量减小环路面积，并且多大过孔提升过流能力，优先考虑地回路的畅通，要是地回路太远或者受阻，那大电流的时候基本就废了，其他设计做的再好都没用。

尽量把地环路做小，保证每个点回流到电容位置都非常快。

栅极驱动与SW设计

栅极驱动与SW走线是dv/dt di/dt最大、噪声最剧烈的关键节点，电流大频率高，走线不好的话会提升寄生电容与阻抗导致波形参数高频振铃造成开关管导通/管断不及时提升开关损耗。

需遵循：短、粗、紧、独立的原则，走线尽量短，线宽尽量宽不小于0.5mm，驱动电阻尽量考虑MOS栅极，走线需要远离主功率线尤其是过孔处需要注意。

驱动线上串联的电阻是用来控制栅极寄生电容充放电速度的从而调节开通/管断特性抑制高频振铃的，讲人话就是电阻变大可以让波形更好降低开关损耗提升转换效率，但是电阻不能太大，需根据芯片的驱动能力来定，MP9931的栅极驱动能力：4.2A 拉电流（Source）+5.2A 灌电流（Sink），理论来说10~22Ω最合适，这个计算比较复杂可以喊豆包帮你算算。

注： 很多同学48转12做出来效果很差的关键因素就是在这里奥，不要一味的去找MOS的原因，一般选型的MOS其实完全能满足设计，多看看驱动波形和功率环路。

电流采样电路设计

采样电阻根据实际电流需求选择合适的封装，不同的阻值要配置响相应的ILIM设置的Negative Current limit，采样电阻尽量选择大体积的提升过流面积，虽然功率冗余了但是相对大电流的阻抗降低了，可以减小寄生的参数带来的影响。

采样线需差分走线并且要短，最好是不打过孔，有完整的低包裹隔离，采样线串联电阻1K及以上电阻防止MOS击穿或者大电流情况下，电流击穿驱动芯片。

7、产品测试情况

输出电源纹波情况

12V输出纹波Vpp：48mV                                                       24V输出纹波Vpp：63.2mV                                                     24V输出纹波Vpp：63.2mV

转换效率测试

测试1A轻载与20A满载情况下的转换效率，万用表有限，电压值分两次测试贴图展示，电流只能测到16A超过烧保险丝了。

12V转换效率

24V转换效率

测试1A轻载与10A满载情况下的转换效率