buck变换器设计matlab_2.5V/2A 高质量电源设计

本文是 21Dianyuan 社区原创技术文章，作者老余，感谢作者的辛苦付出。

一、题目要求

▶基本指标：

1、输入电压 12V， 输出电压 2.5V，持续输出电流能力不小于 2A；

2、整版使用电容合计容量，不得大于 60uF；

▶详细指标(以表格方式给出)：

考核项目	测试标准	评分标准
瞬态响应	0.125A-1.25A 1ms 脉宽负载，检测电压瞬态变换值，测试点选取离 IC 最远的一个滤波电容两端。示波器探头使用弹簧接地针，以最小路径测试滤波电容两段的纹波，20MHz 带宽开启。	超 ±120mV 的0分，每低 5mV，加1分
满载效率	2A 负载下的电源转换效率	低于90%的0分，每高0.5%，加1分
轻载效率	125uA 负载时的电源转换效率	低于50%的0分，每高2%，加1分
输出纹波	2R 水泥电阻负载(1.25A 恒定输出电流)下的电源纹波，测试点选取离 IC 最远的一个滤波电容两端。示波器探头使用弹簧接地针，以最小路径测试滤波电容两段的纹波，20MHz 带宽开启。	高于 30mV 的0分，每低 1mV 加1分
静态电流	断开负载，保持输出电压 2.5V 持续输出，上电稳定1分钟后，测试输入端消耗的静态电流，使用4位半万用表微安档直接串联测量，或者在输入串接 10K 电阻，短接启动后测量电阻两端电压推算电流。	高于 50uA 的0分，每低 2uA 加1分
电路设计	原理图及 PCB 的设计及标注规范性	原理设计规范，PCB 布局布线

二、题目分析与方案设计

✅点1：题目要求是直流功率变换，故采用 DC-DC 变换器，由于是题目是降压输出，考虑使用 BUCK 或者 BUCK-BOOST，但考虑到纹波和效率要求，故功率变换选择 BUCK 拓扑。

✅点2：考虑静态电流 50uA 和轻载(125uA 负载)高于50%效率的指标，这实际上客观由选型的芯片决定，故芯片选型十分重要。

✅点3：关于整版电容值用量不得超过 60uF 的要求，这实际上关乎到几个方面：一是电容的量(输入端和输出端的容值)都与整个变换器的开关频率有关；二是，输出电容的大小会影响输出纹波、系统稳定性以及瞬态能力，故在设计中应该权衡好电容容值与其他变量之间的关系，不能刻意为了减少电容容值而导致系统工作不稳定。

✅点4：开关电源的效率问题，因为是单片应用方案，故该指标一般决定于芯片本身，所以这与芯片选型也密切相关。但此外，需要注意到，效率直接或间接与开关管的导通内阻、压降、开关频率、负载工况、输入输出工况、电感的 DCR 等等相关，这些无论在芯片选型还是外围元件选材时都必须关注。

✅点5：关于瞬态响应，该指标是在脉冲负载下，对输出的瞬态值的测量。该指标一般与芯片的工作模式有关，故一定程度上与芯片选型有关；此外，可考虑通过外围电路进行补偿(有些芯片带外部补偿引脚，如果没有的话是否可以人为补偿？)。

综上，经过仔细对比，确定芯片型号为 LT8640S-2，采用 BUCK 拓扑实现电源设计。

本方案最大的矛盾：轻载效率&瞬态响应这对矛盾，受限于题目要求“不能手动切换工作模式”。换言之，实际工作时，要求设计的电源根据工况自动切换工作模式，关于这一点，后期继续完善设计。

目前已收到样片，爆个照先：接下来有的忙了，后期会不断更新。

本次电源主芯片采用的是 LT8640S-2，应用原理图如下图1-1-1所示， demo 板的各参数罗列如下表1-1：

图1-1-1 LT8640S-2 应用原理图

参数	值
输入端电容	(3.3+1)*2=8.6uF
输出端电容	22+10+10+4.7+3.3=50uF
总电容	8.6+50=58.6uF，此外为其他小电容总值
输出电阻	FR-07 0402 ±1% 精度电阻 1.2M，750K
额定输出电压	(1+1200/750)*0.97=2.522V
实测空载输出电压	2.535V
RT(频率设定电阻)	62K
Fsw(开关频率)	692KHz，实测 684KHz
输出电感	4.7uH

表1-1 原理图各参数汇总表

测试过程

一、本次电源 demo 板实物图如下1-1-2所示

图1-1-2 LT8640S-2demo实物图

二、测试仪器

KEITHLEY_2430C 直流电源、Victor VC97 万用表、UNI-TUT56 万用表、鼎辰 DCL6204 电子负载、示波器等；

三、测试波形与测试结果

NOTE ：本次 2.5V/2A 电源 demo 板，输入输出接口采用的是连接线引出方式。实测发现，在大电流测试时，线损导致的压降比较大，所以实际测试时，需要考虑线压降，例如 2A 重载工况下，直流电源输入端应该调节到 12.75V 左右。

1

静态电流

VIN=12V 条件下，输入端静态电流测试如下图3-1-1所示。

图3-1-1静态电流Iq测试

实测电流值在 1.8-2.1uA 之间抖动，取 Iq=2.0uA。

2

轻载效率

125uA 负载(使用 20K欧 负载)下，测试得到的输入输出端数据如下图3-2-1(a)、(b)、(c)所示：

(a) 20K欧 负载下输入端串联电流表电流

(b) 20K欧 负载下直流电源输入端显示电流

(c) 输出端 20K欧 时输出电压

图3-2-1 20K欧 工况输入输出参数

实测 20K欧 负载 RL=20.04K欧，得到效率 η0=2.535*2.535/20.04/(12*34.4)=77.68%。

3

纹波测试

1.25A 工况，使用电子负载设定为 CC 模式，设定电流值为 1.25A，在最远端 0.1uF 电容两端测得纹波峰峰值，得到的测试结果如下图3-3-1(a)所示，(b)图为此时开关节点 SW 的波形，可知 Fsw=683.6KHz，与理论设定值 692KHz 对比，误差在可接受范围内。

(a)1.25A 负载下的纹波电压  

  (b)1.25A 负载下的SW节点波形

图3-3-1 1.25A 负载下的纹波和 SW 节点波形

由上如图得到 1.25A 时的纹波电压为 Vripple_1.25A=5.6mVpp。

4

满载(2A 负载)效率测试

调节电子负载输出电流为 2A，测得输入输出端的电流电压数据如下图3-4-1(a)、(b)所示。

(a)2A 负载输入端电压电流数据   

(b)2A 负载输出端电压电流数据

图3-4-1 2A 负载下的输入输出端电压电流数据

由上图数据得到 Iout=2A 时的效率 η1=2.526*2/(12.035*0.45078)=93.39%。

5

瞬态响应测试

要求输出为 0.125A-1.25A 的 1ms 脉冲，测试输出端交流纹波的最大幅值。这里需要强调的是，脉冲电流的上下沿斜率(对应电流压摆率必须要足够大)要较大，才能使得电流波形尽可能呈现方波。得到的测试数据如下图3-5-1所示，取 Vpk_pk/2 得到测试值 83mV。

图3-5-1 0.125A-1.25A 的 1ms 脉宽瞬态响应测试波形

附录：瞬态响应测试平台

瞬态响应测试条件为 0.125A-1.25A 的脉宽 1ms 的电流，使用电阻和 MOS 管，使用 FPGA 产生 9ms 脉宽的 100Hz 信号，经过栅极驱动电路作信号放大之后，去驱动 MOS 完成开关动作，进而实现脉冲电流。关键之处在于，产生的脉宽电流的压摆率要足够大(1A/us 以上)。

搭建好的试验平台如下附图1：

附图1 瞬态响应测试 testbench 及测试平台

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点

总结

以上是生活随笔为你收集整理的buck变换器设计matlab_2.5V/2A 高质量电源设计的全部内容，希望文章能够帮你解决所遇到的问题。

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