本文是?21Dianyuan 社區原創技術文章，作者老余，感謝作者的辛苦付出。

一、題目要求

?基本指標：

1、輸入電壓 12V， 輸出電壓 2.5V，持續輸出電流能力不小于 2A；

2、整版使用電容合計容量，不得大于 60uF；

?詳細指標(以表格方式給出)：

考核項目	測試標準	評分標準
瞬態響應	0.125A-1.25A 1ms 脈寬負載，檢測電壓瞬態變換值，測試點選取離 IC 最遠的一個濾波電容兩端。示波器探頭使用彈簧接地針，以最小路徑測試濾波電容兩段的紋波，20MHz 帶寬開啟。	超 ±120mV 的0分，每低 5mV，加1分
滿載效率	2A 負載下的電源轉換效率??	低于90%的0分，每高0.5%，加1分
輕載效率	125uA 負載時的電源轉換效率	低于50%的0分，每高2%，加1分
輸出紋波	2R 水泥電阻負載(1.25A 恒定輸出電流)下的電源紋波，測試點選取離 IC 最遠的一個濾波電容兩端。示波器探頭使用彈簧接地針，以最小路徑測試濾波電容兩段的紋波，20MHz 帶寬開啟。	高于 30mV 的0分，每低 1mV 加1分
靜態電流	斷開負載，保持輸出電壓 2.5V 持續輸出，上電穩定1分鐘后，測試輸入端消耗的靜態電流，使用4位半萬用表微安檔直接串聯測量，或者在輸入串接 10K 電阻，短接啟動后測量電阻兩端電壓推算電流。	高于 50uA 的0分，每低 2uA 加1分
電路設計	原理圖及 PCB 的設計及標注規范性	原理設計規范，PCB 布局布線

二、題目分析與方案設計

?點1：題目要求是直流功率變換，故采用 DC-DC 變換器，由于是題目是降壓輸出，考慮使用 BUCK 或者 BUCK-BOOST，但考慮到紋波和效率要求，故功率變換選擇 BUCK 拓撲。

?點2：考慮靜態電流 50uA 和輕載(125uA 負載)高于50%效率的指標，這實際上客觀由選型的芯片決定，故芯片選型十分重要。

?點3：關于整版電容值用量不得超過 60uF 的要求，這實際上關乎到幾個方面：一是電容的量(輸入端和輸出端的容值)都與整個變換器的開關頻率有關；二是，輸出電容的大小會影響輸出紋波、系統穩定性以及瞬態能力，故在設計中應該權衡好電容容值與其他變量之間的關系，不能刻意為了減少電容容值而導致系統工作不穩定。

?點4：開關電源的效率問題，因為是單片應用方案，故該指標一般決定于芯片本身，所以這與芯片選型也密切相關。但此外，需要注意到，效率直接或間接與開關管的導通內阻、壓降、開關頻率、負載工況、輸入輸出工況、電感的 DCR 等等相關，這些無論在芯片選型還是外圍元件選材時都必須關注。

?點5：關于瞬態響應，該指標是在脈沖負載下，對輸出的瞬態值的測量。該指標一般與芯片的工作模式有關，故一定程度上與芯片選型有關；此外，可考慮通過外圍電路進行補償(有些芯片帶外部補償引腳，如果沒有的話是否可以人為補償？)。

綜上，經過仔細對比，確定芯片型號為?LT8640S-2，采用 BUCK 拓撲實現電源設計。

本方案最大的矛盾：輕載效率&瞬態響應這對矛盾，受限于題目要求“不能手動切換工作模式”。換言之，實際工作時，要求設計的電源根據工況自動切換工作模式，關于這一點，后期繼續完善設計。

目前已收到樣片，爆個照先：接下來有的忙了，后期會不斷更新。

本次電源主芯片采用的是 LT8640S-2，應用原理圖如下圖1-1-1所示， demo 板的各參數羅列如下表1-1：

圖1-1-1 LT8640S-2 應用原理圖

參數	值?
輸入端電容?	(3.3+1)*2=8.6uF?
輸出端電容?	22+10+10+4.7+3.3=50uF?
總電容	8.6+50=58.6uF，此外為其他小電容總值
輸出電阻?	FR-07 0402 ±1% 精度電阻 1.2M，750K
額定輸出電壓?	(1+1200/750)*0.97=2.522V?
實測空載輸出電壓?	2.535V?
RT(頻率設定電阻)	62K?
Fsw(開關頻率)	692KHz，實測 684KHz?
輸出電感?	4.7uH?

表1-1 原理圖各參數匯總表

測試過程

一、本次電源 demo 板實物圖如下1-1-2所示

圖1-1-2 LT8640S-2demo實物圖

二、測試儀器

KEITHLEY_2430C 直流電源、Victor VC97 萬用表、UNI-TUT56 萬用表、鼎辰 DCL6204 電子負載、示波器等；

三、測試波形與測試結果

NOTE ：本次 2.5V/2A 電源 demo 板，輸入輸出接口采用的是連接線引出方式。實測發現，在大電流測試時，線損導致的壓降比較大，所以實際測試時，需要考慮線壓降，例如 2A 重載工況下，直流電源輸入端應該調節到 12.75V 左右。

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靜態電流

VIN=12V 條件下，輸入端靜態電流測試如下圖3-1-1所示。

圖3-1-1靜態電流Iq測試

實測電流值在 1.8-2.1uA 之間抖動，取 Iq=2.0uA。

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輕載效率

125uA 負載(使用 20K歐 負載)下，測試得到的輸入輸出端數據如下圖3-2-1(a)、(b)、(c)所示：

(a) 20K歐 負載下輸入端串聯電流表電流

(b) 20K歐 負載下直流電源輸入端顯示電流

(c) 輸出端 20K歐 時輸出電壓

圖3-2-1 20K歐 工況輸入輸出參數

實測 20K歐 負載 RL=20.04K歐，得到效率 η0=2.535*2.535/20.04/(12*34.4)=77.68%。

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紋波測試

1.25A 工況，使用電子負載設定為 CC 模式，設定電流值為 1.25A，在最遠端 0.1uF 電容兩端測得紋波峰峰值，得到的測試結果如下圖3-3-1(a)所示，(b)圖為此時開關節點 SW 的波形，可知 Fsw=683.6KHz，與理論設定值 692KHz 對比，誤差在可接受范圍內。

(a)1.25A 負載下的紋波電壓??

??(b)1.25A 負載下的SW節點波形

圖3-3-1 1.25A 負載下的紋波和 SW 節點波形

由上如圖得到 1.25A 時的紋波電壓為 Vripple_1.25A=5.6mVpp。

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滿載(2A 負載)效率測試

調節電子負載輸出電流為 2A，測得輸入輸出端的電流電壓數據如下圖3-4-1(a)、(b)所示。

(a)2A 負載輸入端電壓電流數據? ?

(b)2A 負載輸出端電壓電流數據

圖3-4-1 2A 負載下的輸入輸出端電壓電流數據

由上圖數據得到 Iout=2A 時的效率 η1=2.526*2/(12.035*0.45078)=93.39%。

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瞬態響應測試

要求輸出為 0.125A-1.25A 的 1ms 脈沖，測試輸出端交流紋波的最大幅值。這里需要強調的是，脈沖電流的上下沿斜率(對應電流壓擺率必須要足夠大)要較大，才能使得電流波形盡可能呈現方波。得到的測試數據如下圖3-5-1所示，取 Vpk_pk/2 得到測試值 83mV。

圖3-5-1 0.125A-1.25A 的 1ms 脈寬瞬態響應測試波形

附錄：瞬態響應測試平臺

瞬態響應測試條件為 0.125A-1.25A 的脈寬 1ms 的電流，使用電阻和 MOS 管，使用 FPGA 產生 9ms 脈寬的 100Hz 信號，經過柵極驅動電路作信號放大之后，去驅動 MOS 完成開關動作，進而實現脈沖電流。關鍵之處在于，產生的脈寬電流的壓擺率要足夠大(1A/us 以上)。

搭建好的試驗平臺如下附圖1：

附圖1 瞬態響應測試 testbench 及測試平臺

* 本文為 21Dianyuan 社區原創文章，未經授權禁止轉載。請尊重知識產權，違者本司保留追究責任的權利。

點

總結

以上是生活随笔為你收集整理的buck变换器设计matlab_2.5V/2A 高质量电源设计的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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