2025 Make Blocks阶段1 - 升降压转换模块设计

内容介绍

任务介绍

设计一个输入3-20V，输出5V/2A的升降压转换模块

本项目旨在设计一款高性能、宽输入电压范围的升降压（Buck-Boost）DC-DC电源模块。该模块需能够适应输入电压（3V至20V）在大范围波动的情况下，稳定输出5V/2A（10W）的电源，为便携设备、电池供电系统、工业控制等应用场景提供一个灵活、可靠的电源解决方案。

本设计的核心采用了德州仪器（TI）的 TPS55289 集成式四开关Buck-Boost控制器。选择该芯片的主要原因如下：

先进拓扑结构：采用四开关Buck-Boost拓扑，能够实现输入电压在低于、高于或等于输出电压时，均能稳定高效地工作，无缝切换，无工作盲区。
宽输入电压范围：3V至36V的宽输入范围，完美覆盖本项目3V-20V的需求，并留有充足余量。
高集成度与高效率：芯片内部集成了四个高效率的MOSFET驱动器，简化了外部电路设计。采用平均电流模式控制，提供了优异的线性和负载调整率，峰值效率可达95%以上。
灵活的可配置性：开关频率可通过单个电阻在200kHz至2.2MHz范围内调节；内置可调软启动、功率限制、输出电压设置等功能，方便优化设计。
完善的保护功能：具备欠压锁定（UVLO）、过流保护（OCP）、过压保护（OVP）和过热关断（TSD）等功能，保证了系统的可靠性。

本模块通过TPS55289RYQR芯片，能够实现对锂电池供电的电压实现升降压控制输出稳定电压：

核心功能：将不稳定的宽范围直流输入（如锂电池、12V/24V工业总线、太阳能板等）转换为稳定的5V直流输出。
典型应用：
- 便携式设备供电（如由单节锂电池或12V铅酸电池供电）
- 车载设备电源（12V/24V车系转换至5V）
- 工业传感器与采集模块的电源
- USB Type-C PD诱骗设备的供电前端

TPS55289RYQR 芯片 DigiKey 链接：https://www.digikey.cn/zh/products/detail/texas-instruments/TPS55289RYQR/16928303

电感（L1）：选用 4.7µH 的屏蔽功率电感，饱和电流需大于4A，以承受峰值电流并降低电磁干扰。
输入/输出电容（Cin， Cout）：输入侧采用 2×22µF + 2×10µF陶瓷电容（X7R， 25V）进行高频去耦；输出侧采用 2×22µF + 2×10µF 陶瓷电容（X7R， 10V）并联，以降低输出电压纹波并应对负载瞬变。

通过分压电阻网络（Rfb1， Rfb2）精确设置输出电压。根据公式 Vout = 1.2V × (1 + Rfb1 / Rfb2)，选用 Rfb1=31.6kΩ 和 Rfb2=10.0kΩ（1%精度）来设定 5V 输出。

为实现输入电压低于3V时自动关闭模块，设计了分压电阻网络。选用 R1=150kΩ 和 R2=100kΩ（1%精度）。当输入电压降至约3.08V时，EN引脚电压低于1.23V的开启阈值，芯片关断，实现欠压保护。

通过在FSW引脚连接电阻（Rfsw）来设定开关频率。为实现效率与体积的平衡，选择约 0.966 MHz 的频率，对应 Rfsw=20kΩ。

通过IIC接口，可以对芯片的参数进行配置。例如可通过IIC配置 Vref 的电压为 1.2V 或 0.8V。

优秀的PCB布局是电源稳定性和低EMI的关键。本设计遵循以下原则：

功率环路最小化：将输入电容（Cin）、电感（L1）、输出电容（Cout）以及芯片的VIN、PGND、SW和VOUT引脚形成的功率回路面积设计得尽可能小，以减小寄生电感和电磁辐射。
敏感信号隔离：反馈电阻分压器（Rfb1， Rfb2）的走线远离高频开关节点（SW1， SW2）和电感，并采用模拟地屏蔽，防止噪声耦合。
散热处理：芯片的裸露热焊盘（PowerPAD）通过多个过孔牢固地连接到PCB的接地平面，以充分利用铜箔面积进行高效散热。
地平面分割：采用“单点接地”或明确区分功率地（PGND）和模拟地（AGND），避免大开关电流对敏感的控制信号造成干扰。

性能指标	典型值	条件
输入电压范围	3.0 V ~ 20.0 V	-
输出电压	5.0 V ±2%	0A - 2A负载
最大输出电流	2 A（连续）	-
开关频率	0.966 MHz	可调
典型效率	> 93%	Vin=12V， Iout=2A
欠压锁定	≈ 3.08 V	可调
工作温度范围	-40℃ ~ +85℃	-
保护功能	欠压保护、过流保护、过热关断	-
I2C地址	2个	可通过芯片 MODE 引脚配置为2个不同地址（0x74, 0x75），支持同一总线上挂载多个模块
板卡尺寸	34mm × 35mm	适应较宽的温度环境
板型	长方	-

使用了 eZ-PLM 系统上传了自己的工程文件，方便保存记录各个版本，也可随时查阅，系统里查阅不到的物料也支持手动添加。

本项目成功完成了基于TPS55289的宽输入范围升降压电源模块的设计。该模块具有以下显著优点：

该模块是一个通用性极强的电源解决方案，具有良好的应用前景和市场价值。后续工作可包括样板制作、性能测试（效率、纹波、负载瞬态响应等）以及根据测试结果进行必要的优化迭代。