一、任务介绍

本次大赛所选任务为设计一款高性能 Buck 同步降压电源电路板，该电源模块主要用于为前文 STM32G473CBT6 主控核心板提供稳定可靠的供电电源，承担主控板、外设采集电路、指示灯电路的电力供给，能够适配宽范围的输入电压，输出低纹波的直流电压；硬件引脚封装兼容小脚丫‑DIP40 扩展接口规范，可以直接插接至主控核心板供电引脚，作为示波器开发套件专属供电模组使用。

二、方案介绍

2.1 整体设计思路

本电源模块选用 MPS 公司 MP2315GJ‑Z 同步降压开关电源芯片作为主控器件。芯片内部集成上下桥 MOS 管，属于同步 Buck 降压拓扑结构。

2.2 板上资源框图

三、模块介绍

本次电源模块选用 MP2315GJ‑Z 同步降压电源管理芯片进行硬件电路搭建，该电源板专门给示波器学习套件的 STM32 主控核心板供电，适配 DIP‑40 小脚丫 FPGA 扩展封装的供电管脚。

• Pin2：VIN，模块供电输入端；
• Pin1：EN，降压芯片使能引脚，可以外接 STM32IO 口控制电源开启和关闭；
• Pin3：+OUT，经过稳压之后的供电输出引脚，最大可持续输出 3A 电流，足够带动主控芯片、多路 ADC 采集外设以及状态指示灯；
• Pin4：GND，电源回路公共接地引脚。

MP2315GJ‑Z 芯片官方器件链接：https://www.digikey.cn/zh/products/detail/monolithic-power-systems-inc/MP2315GJ-Z/9554690

3.1 原理图模块介绍

（1）外接连接器 H1 (HDR‑F‑2.54_1x4)

作为整块电源板对外交互接口，4 个引脚依次定义为 EN、VIN、+OUT、GND，间距标准 2.54mm，可以使用普通排针、杜邦线和上层主控板相连。

（2）功率转换回路

L2 选用参数 4.7uH 功率电感，是 Buck 降压拓扑当中的储能器件，开关管高频通断时储存、释放电能，平滑输出侧的交变电流；
C6 规格 47μF，为输出端主滤波电容，压低输出纹波电压，应对外设瞬间的负载突变，适合 ADC 模拟电路的供电需求。

（5）T 型分压反馈稳压网络、
将输出电压衰减之后送入 FB 反馈引脚，芯片内部基准电压为 0.8 V；芯片对比采样电压，实时调整 PWM 占空比，以此锁定稳定输出电压。T 型反馈能够优化电源环路稳定性，削弱高频开关噪声进入反馈引脚，供电纹波更低

3.2 PCB 硬件介绍

电路板按照开关电源布线规范进行布局，功率回路走线做到短而宽，将开关节点 SW 的走线面积尽可能缩小，减少电磁干扰；模拟反馈走线远离电感等强噪声器件，防止开关信号干扰采样电压。
板上一共 4 个外接引脚，其余空间全部放置贴片电阻、贴片电容以及贴片电感；所有元器件选用 0603 贴片封装，电路板整体体积小巧，可以安装在主控板周边空余位置。
电源板全部接地引脚进行多点接地处理，功率地和信号地就近单点汇合，规避地线上的压降干扰。

3.3 3D 效果图与结构设计

板子接口采用标准 2.54 mm 间距直插排针接口。使用者既可以焊接排针固定安装，也能够直接插入排针实现无焊接触连接；当调试完毕之后，可以直接拔出排针，拆下该降压电源模组，方便硬件的二次改造、更换以及多模块复用。

为保障给 STM32G473 芯片 ADC 模拟电路提供高品质电源，该降压模块输出纹波经过 T 型反馈网络优化；后续还可以在输出端口额外加装 LDO 芯片，进一步生成低噪声 3.0 V 模拟电源，供给主控板 VDDA 模拟供电引脚。
板子没有集成调试下载电路；MP2315 属于纯硬件电源芯片，无需程序烧录，只需要调整外接分压电阻参数，就能够修改电源输出电压，适配不同外设的供电规格。

板卡设置状态标识：本模块可外接两颗 LED 指示灯，一颗为电源指示灯，用来反馈 3.3V 稳压输出是否正常；另一颗为自定义状态指示灯，可以由前端 STM32 主控 IO 控制亮灭，用来指示负载工作、过载等运行状态。

四、模块主要性能指标和管脚定义

4.1 主要性能指标

4.2 管脚定义

五、心得体会

在本次大赛的电源模块设计过程当中，我学习到开关电源完整的设计流程，从芯片选型、拓扑确认、原理图绘制、反馈电阻参数计算再到 PCB 布局布线，每一步都存在很多需要留意的细节。
最开始绘制原理图的时候，我曾经忽略 BST 自举电容和串联限流电阻，上电之后电源无法正常降压工作；查阅 MP2315 官方数据手册之后，才明白同步降压芯片上管驱动必须依靠自举回路，补上 RC 电路之后电源顺利工作。