一文看懂如何设计降压电路

降压模块又称降压型DC to DC转换器，可以有效的将直流高压转化为稳定的低压直流电，在手机、MP3、数码相机等产品中应用广泛，降压模块售价低廉，最低端的只有1元多钱。

正面3D效果图

设计目的：之前设计了一款集成飞控，本次设计验证降压模块方案，以便后续集成于飞控系统

设计本电路电路板所需知识：直流、交流电，PWM信号，MOS管参数/工作原理，电感参数/工作原理

反面3D效果图

设计步骤:

1.深入了解DC to DC的工作原理

1.1一个完整的DC to DC模块分为三大部分，控制器芯片；N沟MOSFET（上管and下管）；电感，滤波电容 。下面逐一介绍。

1）控制器芯片：根据用户配置的电阻、电容输出对应的PWM信号控制MOSFET已达到控制两个MOS管之间电压的效果，高端的控制器还会带有其它的控制方案，例如恒流输出等...

2）N沟MOSFET：一个完整的DC to DC模块需要两个MOSFET，分别充当上管和下管，Gate端由降压控制器芯片控制，上管的Drain连接输入电压，Source连接下管的Drain（这里被称作SW,Switch），下管的Source接地。当控制器控制两管连续开、关，在SW就形成了稳定的高低电平，高压为输入电压+，低压为0V

3）SW连接功率电感：电感起到阻碍高压通过、在低压时供电的坐拥，达到稳定电压的效果并连接输出正极

4）滤波电容：输入、输出正极与地之间连接电容，达到滤波的效果，低压时放电，高压时充电

1.2其它小知识，不是所有的DC to DC都有这三部分，有的芯片集成度较高，可以把前三项集成在同一芯片内，但集成度越高，输出电流越小，毕竟热耗散一直是一个未能有效解决的问题。

2.确定需求

2.1大型固定翼无人机往往需要5V左右的电压来驱动设备，例如无线电通信装置，舵机，GPS等...

2.2需求电流大约在10A左右，为了留有余量，却20A为降压模块能达到的最大输出

2.3大电流必然造成较大热损耗，所以不能使用一体型降压芯片（芯片内集成控制器，N MOSFET，电感），必须使用外置MOS、电感的降压控制器芯片

3.降压控制器芯片选型

3.1做这个方面的厂家有TI（德州仪器Texas Instruments）、ST（意法半导体STMicroelectronics）、MPS（芯源系统Monolithic Power Systems, Inc），欢迎评论区内补充！

3.2考虑到成本，开发便捷性，本教程选用了一颗来自TI的LM25116MHX降压控制器芯片，最大输入42V对于绝大多数无人机电池来说绰绰有余，最大输出电流为20A，内置电流传感器，温度传感器，防短路等保护措施

4.开始设计原理图

4.1学习LM25116MHX的数据手册（TI的数据手册似乎不让转载，只能在官网上获www.ti.com）（数据手册链接：
https://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/lm25116.pdf），找到典型应用图

典型应用图

只给出了5V7A的应用图，怎么办呢，有三个解决方案

1）按照数据手册中给出的电阻、电容、电感、MOS型号计算公式计算合适的型号（推荐，加强对于电路工作的理解，但缺点是自己容易算错and漏算）

2）再找找网上有没有开源的电路设计（不推荐，别人开源的总不是你的，问题可能会有很多，而且后期不方便排查）

3）使用官方的设计软件自动生成原理图（推荐，方便快捷，介绍详细，几乎不会出错）

所以我这里使用第三种方案，TI的电源设计软件Webench Power Designer（软件链接：
https://webench.ti.com/power-designer/switching-regulator）

改过频率后的生成原理图

这是它给出的设计建议，可是效率看起来不太高，小调一下参数控制器中的频率（一般来说开关频率越低效率越高，但体积越大）

自动的生成原理图

效率提高了1.1%，看起来不是很高，但在最大100W输出时能的降低1.1W热耗散其实已经很优秀了。

4.2按照参考设计很快就能设计出原理图（理论上），但是参考设计给出的两颗MOSFET价格不菲，而且淘宝上并没有单卖的，所以下一步，MOSFET选型

4.3淘宝上最常见的大功率类SON8的MOSFET就是onsemi（安森美）的NTFMSxCxxx系列，但并不能随便找一个，有参数要求

上管要求：Rds_on(10V) ~= 8 m-ohm；Qgs(10V、35A) ~= 3nC

下管要求：Rds_on(10V) ~= 2 m-ohm；Qgs(10V、35A) ~= 27nC

（以上数据均由数据表提供）

进入onsemi的MOSFET选型页面很快就能发现我们需要的型号：NTMFS5C670NLT1G（上管）；NTMFS5C430NLT1G（下管）

4.4依照软件自动生成的原理图制作原理图（难度1星）

原理图

（PS：额外增添了一些电容，可以一定减小电源纹波；使用了自定义焊盘和xt30插口供电、输出）

5. 设计PCB（Printed Circuit Board，电路板）

5.1原理图转PCB

转换完成后，程序只是将元件自动摆放，没有按照设计规则摆放，所以下一步是PCB布局

转换之后的原理图

5.2 PCB布局

原件布局有一定的要求

1）实用（尽可能压缩体积，但也要方便SMT，例如多引脚芯片周围1.5mm旁不应有任何贴片原件）

2）满足设计要求（高压低压元件分离、滤波电容靠近用电器）

3）美观（对称性）

布局后

5.3 PCB布线

两种方法：自动布线、手动布线

1）自动布线（布线杂乱，有许多不合理的地方，在布线程序没有进一步改进时，不要使用）见下图：

自动布线

2）手动布线、铺铜（推荐，原因很多，例如：能够根据电流大小调整线宽）见下图：

手动布线

是不是排布整齐很多？

5.5 PCB丝印设计（焊盘旁设计丝印，提供使用者参考）

5.6 提交厂方

推荐JLC的免费打样，单、双、四层PCB均免费，五张SMT的工程费也只需50元，堪称懒人福音。

6.  成品展示

目前快递不能送达，所缺的元件无法购买，所以没法测试，只能展示一下PCB的3D模型。