2025 Make Blocks阶段2 - 基于TPS55289的升降压转换模块

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

具备输入输出电压监测
软启动功能
PCB尺寸建议控制在35mm×25mm范围内
主要器件：需在DigiKey官网上有货且正常售卖

模块介绍

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。

1. 主要芯片选择：TPS55289

2. 芯片功能与应用

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。

3. 模块功能

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

原理图和PCB模块介绍

原理图

模块原理图主要由以下几个部分构成：

1. 功率转换单元：

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。

2. 反馈与输出电压设置：

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。

3. 使能控制（EN/UVLO）：

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。

4. 开关频率设置：

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。

5. IIC通信设置：

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。

PCB

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。

PCB预览图

调试介绍

1 软件介绍

焊接好的模块，可以通过 IIC 通信来配置参数与控制输出。 TPS55289通过I2C接口接受外部微控制器的配置与控制，软件编程是实现模块智能管理的核心。我们设计了完整的软件控制流程，包括初始化配置、软启动实现和电压监测功能。

2 实现过程

软件实现的具体过程如下：

I2C通信初始化：设置微控制器的I2C接口，配置为标准模式（100kHz）或快速模式（400kHz），设置TPS55289的I2C地址（根据ADDR引脚电平确定，默认为0x75）。
寄存器配置：按照特定顺序配置TPS55289的内部寄存器，确保器件正常工作。关键寄存器配置如下：
REF寄存器（地址0h、1h）：设置参考电压，决定输出电压值。对于5V输出，配置值为0x01F4（十进制500，对应5.00V）。
VOUT_SR寄存器（地址3h）：配置输出电压压摆率，即软启动时间。设置为0x0A，实现约3ms的软启动时间，平衡启动速度和冲击电流的抑制。
IOUT_LIMIT寄存器（地址2h）：设置平均输出电流限制，配置为0x64，对应2.5A限制，提供一定的余量。
MODE寄存器（地址6h）：配置工作模式，这里使用默认模式，通过IIC通信控制输出。
软启动实现：通过配置VOUT_SR寄存器控制输出电压的上升斜率，实现软启动。软启动期间，输出电压从0V缓慢上升至目标5V，避免了大电流冲击。
电压监测实现：通过定期读取STATUS寄存器（地址7h）获取电源状态，使用微控制器的ADC通道监测输入电压（通过分压电阻网络），实现全面的电源监控。

功能展示

由于本人为业余电子爱好者，手上没有专业的电源测试仪器。本项目功能展示，只针对模块的基本性能进行测试，如：输入输出电压检测、启动/关闭输出、带载测试。

成品展示

本次硬件制作还算比较顺利，从设计PCB到打板，再到焊接，基本一次成功。本次只制作了 1 块电路板且能正常实现电压转换。本次演示的测试电路如下图所示的面包板电路搭建：

实验器材清单：

锂电池电源 x 1
STM32Duino-G431Rx 开发板 x 1
TPS55289的升降压转换模块 x 1
万用表 x 1
5V 3W LED灯 x 1
2Ω 陶瓷加热板 x 1
轻触开关 x 1
杜邦导线若干

启动/关闭输出

STM32Duino-G431Rx 开发板的 2 脚外接一个轻触开关，使用 Arduino 编程实现双击打开模块电源输出，单击关闭模块电源输出。

// 单击
void singleClick() {
  Serial.println("singleClick() detected.");
  // 单击关闭输出
  pmic.enableOutput(false);
}


// 双击
void doubleClick() {
  Serial.println("doubleClick() detected.");
  // 双击打开输出
  pmic.enableOutput(true);
}

带载测试

由于本人没有电子负载设备，无法对该电源模块进行电压输出、效率和保护测试。这里简单粗暴地使用一个 2Ω 左右的电阻，接到模块的输出端，简单的测试一下模块的满载输出。

BUCK模式满载测试

BOOST模式满载测试

总结

遇到的问题

无输出, 一开始焊接好模块后，接好输入电压和extvcc后，模块的输出端无电压。经查为OE寄存器值默认为0所致，使用IIC将寄存器的值修改为1即可正常输出。
输出电压误差大，由于实际电路和分压电压的精度导致FB引脚的电压并不是标准的1.2V所导致的精度误差，可通过调整REF寄存器来动态调整内部基准电压来实现输出电压的微调。
输出功率不达标。开始时使用1节锂电池供电，每当接上负载时，启动输出后输出立马关闭。查了诸多原因无果，在测试2节串联时发现输出正常。最终原因为我手上的一节锂电池无法支撑 12W 的功率输出，使用2节串连或2节并联则正常。

心得体会

本项目基于TI的TPS55289同步降压/升压转换器，成功设计并实现了一款高性能升降压转换模块。该模块能够将3V-20V的宽范围输入电压稳定转换为5V/2A输出，集成了软启动、电压监测和多重保护功能。

本次活动为一个系列活动的第五期，这期我在第一期的基础上补充了开发板UPS电源输入的功能，可实现1~6S锂电池供电为开发板或外围设备供电。期待后续的活动能有机会在此开发板的基础上制作一些扩展板。最后，感谢硬禾学堂联合 DigiKey 推出的这次活动！此次活动带给我许多宝贵实践经验和机会，我们下期活动再见！