专业版
【MPS机器人挑战赛作品】机器人核心电源板
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简介
- 参加 MPS“智驱未来”机器人芯动力设计挑战赛，时间2025年10月22日~2025年12月31日
简介：- 参加 MPS“智驱未来”机器人芯动力设计挑战赛，时间2025年10月22日~2025年12月31日复刻成本：￥200
开源协议
：GPL 3.0
创建时间：2025-10-22 12:06:45更新时间：2026-03-12 10:10:37
描述
一、基本信息
项目代码：01.300007
项目名称：机器人核心电源板
规格型号：/
项目成员：YTJ、LCM
设计软件：
-
电子：立创EDA专业版
-
结构：无
-
软件：无
项目背景：
-
参加 MPS“智驱未来”机器人芯动力设计挑战赛，时间2025年10月22日~2025年12月31日
项目目标：
-
选题2：机器人核心电源板
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验收总体目标：基于MPS芯片设计的核心电源板在电气性能、功能适配性、可靠性等方面的表现
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类目
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验收项目
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验收方法
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验收标准
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基础项
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输出纹波测试
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示波器交流档测输出电压纹波峰峰值
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测量通道①MP9931 12V输出在空载、50%额定负载(10A)、满载(20A)工况下的输出纹波大小
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基础项
|
效率测试
|
测量输入与输出总功率，计算转换效率
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测量通道①MP9931 12V输出在48V输入，12V20A满载运行下的Vin、Iin、Vout、Iout，计算输出效率
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加分项
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热性能：散热与温升
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连续运行30分钟后测量电源板核心器件温度
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在常温开放环境下持续运行30分钟后，用红外测温仪分别测MP9931、MP4317、MP5017A芯片表面及PCB核心器件（如电感、MOS）的温度
运行条件：
通道①: MP9931带载12V15A模拟工控机；通道②: 24V5A + 5V5A×2，即灵巧手端按24V5A模拟，两颗MP5017A后级各带5V5A模拟外设端负载。
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加分项
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板卡设计尺寸优化
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对比板卡面积，评估板卡空间利用率及功率密度
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结合EDA设计文件，衡量整板所需的制板面积，在满足功率需求且不触发热关断保护的同时，尽可能小型化设计
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项目进度：
-
2025.10.22 了解项目，开始设计。
-
2025.10.25 完成原理图
-
2025.11.08 完成PCB并投板
-
2025.11.15 完成单路MP9931通电验证
-
2025.11.19 完成全部焊接与通电验证
-
2025.11.22 开始测试
- 2025.12.30 针对纹波部分的异常进行重新测试
- 2026.3.11修改了标题名称
开源情况：立创开源硬件平台
测试仪器型号：
-
电源：睿登 RD6018P
-
热成像：TOPDON TC001
-
负载1：ITECH IT8512A+
-
负载2：自制电阻板 4Ω/400W
-
负载3：自制电阻板 1Ω/200W
-
负载4：自制电阻板 1Ω/200W
-
万用表：柏立盟BM786
二、测试纪录
2.1、MP9931输出纹波测试
使用示波器交流档位测量通道①MP9931 12V输出在空载、50%额定负载(10A)、满载(20A)工况下的输出纹波大小
在此模块中，测量接口为CN2。
纹波测试方法如下：
1、设置交流耦合、限制带宽20Mhz。
2、测试点如下。（20A负载测试时，需要使用两个接口，测试点位置在卧式端子的裸露处，即下图测试点后方的端子）
3、设定探头比为1X（2025.12.30更新）
2.1.1、空载纹波
条件：Vin=48V，Vout=12V，Iout=0A（注：实际输出电压约11.7V）
2.1.2、50%额定负载（10A）纹波
条件：Vin=48V，Vout=12V，Iout=10A（注：实际输出电压约11.7V）
2.1.3、100%额定负载（20A）纹波
条件：Vin=48V，Vout=12V，Iout=20A（注：实际输出电压约11.7V）
2.2、效率测试
测量通道①MP9931 12V输出在48V输入，12V20A满载运行下的Vin、Iin、Vout、Iout，计算输出效率。
根据效率的计算公式可知
在测效率时，需要测得Vin、Vout、Iin、Iout这四个值（或者Pout和Pin），进行计算，即可得到最终结果。
电源测试常用四表法，即使用4个万用表来测得以上四各参数。连接示意图如下：
受限于测试设备，做以下处理
-
Iou值取电子负载的回读电流。
-
Ii值取可调电源的回读电流。
-
Vou值取电源模块输出端子接口电压，使用万用表测量。
-
Vi值取电源模块输入端子接口电压，使用万用表测量。
这样避免了在大电流负载时，测试线上的电压损失。
2.2.1仪器点检
为了保持电子负载和可调电源回读电流的一致性，使用万用表对其进行点检。
连接示意图如下
点检如下数据：
可调电源回读电流：5.002A
电子负载回读电流：5.000A
万用表测量电流：4.9993 A
各个仪表的电流档位一致性还是可以的。
注：这里只测试了5A电流这一档位。
2.2.2、效率测试数据
连接图如下：
测试数据如下：
|
输入电压/V
|
输入电流/A
|
输出电压/V
|
输出电流/A
|
转换效率/%
|
备注
|
|
47.903
|
5.114
|
11.741
|
19.999
|
95.85
|
选题2要求的测试项
|
|
35.853
|
6.814
|
11.758
|
19.999
|
96.25
|
额外测试①
|
|
23.832
|
10.233
|
11.763
|
19.999
|
96.46
|
额外测试②
|
|
23.869
|
7.631
|
11.765
|
15.000
|
96.89
|
额外测试③
|
|
23.931
|
4.067
|
11.761
|
8.000
|
96.67
|
额外测试④
|
注：额外测试③和④是参考MPS官方demo测试项进行的，demo链接为：24V 48V输入，360W降压模块-MP993X
2.3、散热与温升
在常温开放环境，按以下运行条件持续运行30分钟后，用红外测温仪分别测MP9931、MP4317、MP5017A芯片表面及PCB核心器件（如电感、MOS）的温度
运行条件：
通道①: MP9931带载12V15A模拟工控机；
通道②: 24V5A + 5V5A×2，即灵巧手端按24V5A模拟，两颗MP5017A后级各带5V5A模拟外设端负载。
验收方法：
连续运行30分钟后测量电源板核心器件温度
因为设备受限，通道①的输出接口连接至电子负载，通道②的接口连接至自制电阻板。
连接示意图如下所示：
散热方式：自然散热、无额外散热片
环境温度：约16℃，见视频中温湿度计。
电阻板：1Ω电阻板使用了4个50W电阻，通过串并联的方式实现了所需要的阻值，4Ω电阻板使用了8个50W电阻。长时间测试时电阻仍比较烫，所以使用了小风扇给电阻板散热，电阻板图示如下。具体信息见“3.3、电阻板”。
2.3.1、测试内容
30min后，热成像情况如下：
|
IC
|
位号
|
温度/℃
|
其他
|
|
MP9931
|
U17
|
96.8
|
|
|
MP9931
|
U5
|
99.7
|
|
|
MP4317
|
U1
|
127.7
|
|
|
MP4317
|
U4
|
127.9
|
|
|
MP5017
|
U2
|
125
|
|
|
MP5017
|
U3
|
129.1
|
热成像视频中最高温度为136
|
测试过程中没有出现降功率的情况
30min完整测试视频上传了B站，链接如下：
2.3.2、其他测试项目 - MP9931满载测试
MP9931带载12V20A测试
连接方式同上，将通道①的测试要求由12V15A修改为12V20A
30min后，热成像情况如下：
|
器件
|
位号
|
温度/℃
|
|
MP9931
|
U17
|
71.1
|
|
电感
|
L3
|
105.3
|
|
MOS
|
Q1
|
108.8
|
测试过程中没有出现降功率的情况
30min完整测试视频上传了B站，链接如下：
2.4、板卡设计尺寸优化
带固定孔PCB尺寸：71.8×100mm
不带固定孔PCB尺寸：61.8×100mm
不带固定孔最大体积：61.8×100×15mm
固定孔可以根据情况自身情况确定保留还是删除，在设计的时候想着有固定孔方便测试，实际根本没用上。
三、其他内容
3.1、电源使能与状态判断接口H4
预留的、判断电源模块上各个电源IC的状态的接口。
3.2、保险丝F1
预留的、保险丝座，使用小型汽车保险丝，需要根据实际需求选择合适的熔断值，耐压需要选用58V的。在本次测试中没有焊接，使用了导线短接了保险丝。
3.3、电阻板
电阻板工程链接如下：300007L1V1 - 200W电阻负载板 - 立创开源硬件平台
单个电阻板成品图片如下：
本次测试中使用的三个电阻板阻值如下：
-
1Ω/200W：1.004Ω
-
1Ω/200W：1.005Ω
-
4Ω/200W：4.024Ω
3.4、散热优化
-
此模块使用的电感在完成焊接后，PCB板与电感下方有缝隙，此处热阻会更大，可在缝隙中挤入导热胶。
-
若无高度限制，可在电感上方增加散热片。
-
长时间满载的建议：
-
增加主动散热，或
-
在关键DCDC和MOS上涂上导热胶，增加散热片，或
-
给模块增加金属外壳，灌封（导热）胶导热。
-
3.5、电感下铺铜问题
此处只放结论：建议在EMI 测试中对电感铺铜，因为它可以改善 EMI 性能。从电感感量的角度，对于屏蔽型电感，电感感量基本没有影响，因此也建议铺铜；仅对于工字型电感，铺铜对电感感量有少许影响，可以视情况而定。
具体内容可参考MPS的技术文档：在DC/DC 电源下方铺铜是否有益？
3.6、Q8为什么没有焊接？
Q8位置的元件在初次上电时短路烧掉了，没有多余物料，且U5输出电流不算大，后续测试过程中也发现Q8可不焊接，使用单MOS（Q7）即可。
3.7、关于第一次的纹波测试（2025.12.30更新）
在第一次纹波测试中，设定示波器探头比为1X，但探头拨到了10X，导致测量纹波是实际纹波的1/10，在后续纹波测试中发现了这个问题，重新进行了纹波测试，并更换了2.1节中纹波测试的图片。
以下为第一次纹波测试的图片，分别是0负载，50%负载，100%负载，因探头比设置的问题，图示中纹波是错误的。
3.8、纹波的计算（2025.12.30更新）
MP9931技术手册中有关纹波计算的描述在P24页，相关描述如下：
| 公式编号 | ΔVout/V | 参数 | |||||
| Vout/V | fsw | L/H | Vin | R_ESR/Ω | C_OUT /F | ||
| 12 | 0.0778635 | 11.7 | 100000 | 0.00001 | 48 | 0.0063 | 0.0005 |
| 13 | 0.022120313 | 11.7 | 100000 | 0.00001 | 48 | / | 0.0005 |
| 14 | 0.055743188 | 11.7 | 100000 | 0.00001 | 48 | 0.0063 | 0.0005 |
注：单个固态电容等效电阻ESR为25mR，四个并联，为6.3mR，未考虑MLCC的等效电阻
公式13主要针对陶瓷电容
公式14主要针对固态电容根据理论计算，输出纹波电压应在22mV-77mV左右。实测结果是符合计算的。
设计图
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