MP2315--DCDC12V降5V稳压电路设计与讲解-Toy模板网

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概述

我们平常无论在工作中或者在学习中，都会经常碰到需要进行电压转换的问题，有时候需要进行升压，而有时候则需要进行降压的操作，那么我们这次就给大家带来一款12V降5V的电路设计与讲解

一、开关电源原理分析

开关电源是一种高频化电能转换装置，其主要利用电力电子开关器件（如晶体管，MOS管，可控晶闸管等）通过控制电路，使电子开关器件周期性的"接通"和"关断"，让电力电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现电压变换以及输出电压可调和自动稳压的功能

1.1、DC-DC拓扑结构

开关电源的分类是多种多样的，我们可以根据对电感进行续流的器件不同来进行大致分类，如下图则是异步整流电路的拓扑结构图，从图中可以看到，在异步整流电路中给电感进行续流的器件为二极管，这也是异步整流电路的一个特征之一 MP2315--DCDC12V降5V稳压电路设计与讲解

1.2、开关电源工作原理分析

所谓开关电源，本质就是通过不停的去操作开关，来产生一个周期性的方波，也就是PWM波，以12V转5V为例，高低电平的比例就是5比7（下图则是开关电源的波形图），而我们在实际的电路中，则是使用MOS管来替代开关的工作

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同时我们可以看到波形图中的波形是高低起伏的，这不是我们需要的直流5V，那我们又如何去操作，才能获得我们需要的效果呢，这时候就需要用到拓扑结构中的其他器件了（下图则是拓扑结构中各个图标所对应的器件名称），当我们按下开关的时候，也就是MOS管导通时，续流二极管截止（二极管单向导通性），电流则通过MOS管流向电感和电容以及给负载供电，此时电压就能变为5V

而在这个过程中，电容的作用是进行一个滤波的操作（吸收掉多余的电流），如果不进行滤波的话，电流的波形会变得非常尖锐，这并不是我们想要的效果，因此它也叫滤波电容，而电感则是在MOS管截止的时候，也就是我们松开开关的时候，对负载进行供电（电容电感具有储能滤波的功能），从而使电路一直保持在输出5V，并且还有个原因是因为电容的特性是电容两端的电压不能发生突变，因此电感也起到一个阻止电压突变的一个功能，二极管的作用则是当MOS截止的时候，因为电感的特性是电感两端的电流不能突变，因此需要经过续流二极管形成回路，阻止电流突变，并且给负载进行供电，这就是开关电源工作的基本原理

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1.3、开关电源优势及改进

开关电源的优势：①功耗低，效率高。②体积小，重量轻。③稳压范围宽。

开关电源的损耗来源：①开关管损耗。②电感电容损耗。③二级管损耗

开关电源的损耗分析：开关电源的效率可以达到90%以上，如果精心优化与设计，甚至可以达到95%以上，这在以电池作为电力来源的场合非常重要，例如手机、小型无人机等。因此开关电源设计的优劣程度将直接影响设备的续航能力。

(1)、开关管损耗：这是开关电源的主要损耗，主要包括开关损耗、导通损耗。因此应该尽量选择导通电阻比较小的开关管作为开关电源的核心元器件。

(2)、电感电容损耗：电感损耗主要包括直流电阻损耗，电容损耗主要包括漏电流损耗。因此应该尽量选择直流电阻较小的电感和漏电流较小的电容元器件。

(3)、二极管损耗：主要包括导通损耗和开关损耗。因此应该尽量选择导通压降较小，反向恢复时间较短的二极管，例如肖特基二极管或快恢复二极管等。

我们通过上面的分析，清楚的意识到开关电源的损耗其实是一个非常重要的问题，同时大家都知道，无论电流多大，只要有电流存在，二极管的固定压降就是0.4V左右，电流1A的话意味着二极管消耗的功率就是0.4W，这其实是一个不小的损耗，因此我们可以把续流二极管使用另一个MOS管来代替，只需要保证这两个MOS关的开关状态相反即可，如下图所示，这也是所谓的同步整流电路

我们来看同步整流电路的拓扑结构图，同步整流电路与异步整流电路大致的区别就在于一个是使用的二极管进行续流，而另一个则是使用的MOS管进行续流，同步整流电路要比异步整流的效率高，发热也会低很多，因此我们这次选择的MP2315就是同步整流芯片

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二、器件选型及原理图设计

2.1、MP2315

标题提到，我们这次需要设计的降压电路的主芯片是MP2315，因此在此简单的介绍一下这款芯片

MPS官网：MPS| Monolithic Power Systems 芯源信息咨询（上海）有限公司

MP2315官方规格书：https://www.monolithicpower.cn/cn/documentview/productdocument/index/version/2/document_type/Datasheet/lang/en/sku/MP2315/document_id/513/https://www.monolithicpower.cn/cn/documentview/productdocument/index/version/2/document_type/Datasheet/lang/en/sku/MP2315/document_id/513/

我们可以在芯片规格书中了解到，MP2315 是一款内置功率 MOSFET 的高频同步整流降压开关变换器。它提供了非常紧凑的解决方案，在宽输入范围内可实现 3A 连续输出电流，具有出色的负载和线性调整率。MP2315 在输出电流负载范围内采用同步工作模式以达到高效率。其电流控制模式提供了快速瞬态响应，并使环路更易稳定。全方位保护功能包括过流保护（OCP）和过温关断保护。MP2315 最大限度地减少了现有标准外部元器件的使用，采用节省空间的8-pin TSOT23 封装。

简而言之，它是一种DC-DC的电源转换模块，可以提供最大3A的输出，具备快速的瞬态响应能力的一颗电源IC。根据在官网的介绍，这颗芯片的特性如下

宽工作输入电压范围：4.5V 至 24V
3A 负载电流
110mΩ/55mΩ 低导通阻抗内部功率 MOSFET
低静态电流
高效同步工作模式
500kHz 固定开关频率
AAM 节电模式
内部软启动
输出过压保护（OVP）
过流保护（OCP）自动恢复功能
过温关断保护
输出电压可调节低至 0.8V
采用 TSOT23-8 封装

注意：

不过根据一些第三方的测试描述，这颗芯片如果按照设计的最大功率运作，会很快升温到100多度从而导致热关机保护，所以需要加上散热模块。

引脚定义

NAME	PIN	I/O	Description
AAM	1	-	通过电阻引脚接地。且当负载较小时，MP2315S将被设置为非同步模式。如果接入VCC时，将迫使MP2315S进入CCM模式。
IN	2	-	电源电压。推荐输入4.5V至24V的电压。需要用使用电容来对输入电压进行解耦，并且铺线时应该使用较宽的连线保证供电。
SW	3	-	开关输出，即供电输出，和供电一样，也应该使用较宽的连线保证输出品质。
GND	4	-	GND接线
BST	5	-	Bootstrap，在SW和BST构成的回路之间应该连接一个电容和一个 10Ω 的电阻。这样可以基于SW产生的PWM信号上生成一个高频的开关电源。
EN/SYNC	6	-	启用或关闭输出，所以通常6脚会通过一个分压电容直接连到VCC或者IN上。
VCC	7	-	内部偏置供应，内部5.1VLDO输出。用0.1μF-0.22μF电容器解耦VCC。电容不应超过0.22μF。
FB	8	-	反馈引脚，通常SW会通过分压电阻接入到FB引脚，从而调节输出电压。当FB电压低于400mV时，频率折叠比较器会降低振荡器频率，以防止短路故障条件下电流限制失控。