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具有热平衡功能的多相 MPQ2908A

适用于 48V 电池的 12V 输出 DC/DC 变换器

参考设计

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1 综述

1.1 概述

新型汽车设计均采用 48V 电源系统，以减轻车辆线束的重量并降低功耗。与此同时，当系统需要承担大负载时，所需功率也会增加，这意味着采用输出功率更高的电源变换器拓扑结构（例如交错式拓扑结构）非常重要。采用这种拓扑结构，通常需要优化热分布以均衡 MOSFET 的降额，并避免电路板部件过热。而出色的电路板布局将有助于解决这些热限制，同时，通过在所有变换器之间平均分配负载电流，可以促进控制器之间更好的电流共享。让所有相位中流过的电流相同，并采用对称布局，将有助于 MOSFET 具有相同的温升，这也意味着它们将以相似的速度降额。

本参考设计展示了一个 48V 至 12V 的交错式变换器，它可以提供高达 20A 的输出负载电流。为了改善两个控制器之间的电流共享，该设计采用了热平衡电路，并添加了一个频谱扩展 (FSS) 调制器以降低 EMC。


1.2 功能特性

  • 4V 至 60V 宽工作输入范围
  • 双 N 沟道 MOSFET 驱动器相位
  • 0.8V 基准电压，精度为 ±1.5%，适用于过温条件
  • 低压差工作模式：最大占空比为 99.5%
  • 100kHz 至 1000kHz 可调频率范围
  • 180° 异相 SYNCO 引脚
  • 可调软启动 (SS)
  • 电源正常 (PG) 输出电压 (VOUT) 监控
  • 可选逐周期限流保护
  • 输出过压保护 (OVP)
  • 过流保护 (OCP)
  • 外部反极性保护 (RPP)
  • 外部输入 OVP
  • 强制连续导通模式 (CCM)
  • 外部频谱扩展 (FSS) 调制
  • 启用相位热平衡
  • 采用 TSSOP20-EP 和 QFN-20 (3mmx4mm) 封装
  • 采用侧面镀锡封装
  • 符合 AEC-Q100 等级1认证

图1: EVQ2908A_48V_L_02A

1.3 应用

  • 汽车和工业电源系统

2 参考设计

2.1 功能框图

图 2 显示了本参考设计的功能框图。其中MPQ2908A 为一款降压变换器，具有 48V 标称输入、12V/20A 输出能力、输入 EMI 滤波器、反极性保护 (RPP)、过压保护 (OVP)、双相交错、频谱扩展 (FSS) 调制和相位热平衡功能。

图2: 功能框图



2.2 相关解决方案

本参考设计基于以下 MPS 解决方案：

表1: MPS解决方案

MPS IC 描述
MPQ2908A 4V 至 60V 输入、电流模式、同步降压控制器，符合 AEC-Q100 认证


2.3 系统规格

表2: 系统规格

参数 规格
输入电压(VIN)范围 24VDC至60VDC
输出电压(VOUT) 12VDC
最大输出电流(IOUT) 20A (12V 输出电压)
开关频率(fSW) 225kHz
电路板外形尺寸 150mmx100mm
峰值效率 95.83% (13A 负载, 48V 输入)
12V输出纹波 22mVPP


2.4 原理图

图3: 原理图（1）

图4: 原理图（2）

图5: 原理图（3）

图6: 原理图（4）


2.5 BOM

表3: BOM


数量 符号 值 描述 封装 厂家 厂家 PN
3 C1, C33, C51 1µF, 100V 10%, X7S, MLCC 0805 Murata GCM21BC72A105KE36L
1 C2 22nF, 100V 5%, X7R, MLCC 1206 Kemet C1206C223J1RACTU
3 C3, C17, C18 2.2µF, 100V 10%, X7S, MLCC 1206 Murata GCM31CC72A225KE02L
6 C4, C5, C14, C25, C34, C52 100nF, 100V 10%, X7R, MLCC 0603 Murata GCJ188R72A104KA01D
4 C10, C11, C21, C22 10µF, 100V 10%, X7S, MLCC 2210 TDK CGA9N3X7S2A106K230KE
2 C15, C16 47µF, 80V 铝电解电容器 10mm x 10mm Panasonic EEE-FN1K470UV
2 C19, C20 4.7µF, 100V 10%, X7S, MLCC 1210 Murata GCM32DC72A475KE02L
1 C26 1µF, 16V 10%, X7R, MLCC 0603 Murata GCM188R71C105KA64J
1 C27 6.8nF, 16V 10%, X7R, MLCC 0603 Vishay Vitramon VJ0603Y682KXJCW1BC
2 C28, C29 100nF, 25V 10%, X7R, MLCC 0603 Kemet C0603C104K3RAC7013
1 C31 47µF, 6.3V 20%, X5R, MLCC 0603 Taiyo Yuden JMK107BBJ476MA-RE
2 C35, C53 220nF, 16V 10%, X7R, MLCC 0603 Kemet C0603X224K4RACTU
4 C36, C38, C54, C56 4.7µF, 16V 10%, X5R, MLCC 0603 TDK C1608X5R1C475K080AC
4 C37, C44, C45, C46 22µF 25V 10%, X5R, MLCC 1210 Kemet C1210C226K3PACTU
2 C42, C58 10nF, 16V 5%, X7R, MLCC 0603 Kemet C0603C103J4RACTU
1 C43 4.7nF, 16V 10%, X7R, MLCC 0603 Kemet C0603C472K4RACTU
2 C47, C48 100µF, 25V 铝电解电容器 10mm x 10mm Panasonic EEE-FN1E101UV
6 D1, D3, D4, D5, D7, D9 200V, 0.25A 通用二极管 VBREAK = 200V SOD-323 Nexperia BAS321,115
1 D2 10V, 5mA 齐纳二极管 SOD-523 On Semiconductor SZMM5Z10VT5G
1 D6 65V, 50nA 齐纳二极管 SOT-23 On Semiconductor SZBZX84C62LT1G
2 D8, D10 150V, 1A 肖特基整流二极管 SOD-123FL Rohm RB168MM150TFTR
4 J1, J2, J3, J4 M3, 50A M3通孔端子 7mm x 7mm Wurth 74650073R
2 L2, L3 2.2µH, 8A 固定电感 7030 Eaton Bussmann HCMA0703-2R2-R
2 L6, L7 6.8µH, 11.6A 固定电感 13mm x 12.5mm TDK SPM12565VT-6R8M-D
2 Q1, Q2 80V N-沟道 MOSFET, ID = 123A，VDSBREAK = 80V SOIC-8 On Semiconductor NVMFS6H818NT1G
1 Q3 NPN NPN BJT SOT-23-3 Nexperia BC846215
4 Q4, Q5, Q6, Q7 80V N-沟道 MOSFET,ID = 60A, VDSBREAK = 80V SO-8L Vishay Siliconix SQJA82EP-T1_GE3
8 R1, R6, R12, R13, R15, R16, R21, R26 1kΩ, 5% 厚膜电阻 0603 Yageo RC0603JR-131KL
1 R2 1mΩ, 2% 电流采样电阻 1530 Ohmite FC4L76R001GER
1 R3 5.1kΩ, 1% 厚膜电阻 0603 Yageo RC0603FR-075K1L
4 R4, R39, R43, R61 100kΩ, 5% 厚膜电阻 0603 Vishay CRCW0603100KFKEBC
2 R5, R7 20kΩ, 1% 厚膜电阻 0603 Yageo RC0603FR-1320KL
1 R19 1MΩ, 1% 厚膜电阻 0603 Yageo RC0603FR-071ML
2 R20, R35 10kΩ, 1% 厚膜电阻 0603 Rohm ESR03EZPF1002
1 R28 11kΩ, 5% 厚膜电阻 0603 Panasonic ERJ-3GEYJ113V
2 R29, R30 10kΩ, 0.5% NTC 热敏电阻 0603 TDK NTCG163JX103DTDS
1 R31 510kΩ, 1% 厚膜电阻 0603 Yageo AC0603FR-07510KL
19 R32, R36, R38, R40, R44, R46, R48, R49, R50, R52, R56, R58, R62, R63, R65, R67, R68, R74, R77 0Ω 厚膜电阻 0603 Vishay Dale CRCW06030000Z0EAHP
1 R34 33kΩ, 1% 厚膜电阻 0603 Yageo RC0603FR-0733KL
1 R41 5.6kΩ, 5% 厚膜电阻 0603 Vishay Dale CRCW06035K60JNEB
2 R42, R60 4mΩ, 1% 电流采样电阻 2512 Susumu KRL6432E-C-R004-F-T1
2 R47, R66 88.7kΩ, 1% 厚膜电阻 0603 Panasonic ERJ-3EKF8872V
1 R51 10Ω, 5% 厚膜电阻 0603 Yageo RC0603JR-0710RL
1 R53 169kΩ, 1% 厚膜电阻 0603 Panasonic ERJ-3EKF1693V
1 R54 12kΩ, 1% 厚膜电阻 0603 Panasonic ERJ-1GNF1202C
1 R57 8.66kΩ, 1% 厚膜电阻 0603 Panasonic ERJ-3EKF8661V
1 U2 2V to 50V 555 定时器 SOIC-8 TI TLC555QDRQ1
1 U3 150kHz, 130dB 轨到轨运算放大器 TSOT-23 Analog Devices LTC2054IS5#TRMPBF
2 U4, U5 MPQ2908A 降压开关电源变换器 QFN-20 (3mm x 4mm) MPS MPQ2908AGLE-AEC1

2.6 PCB布局

图7: 顶层

图8: 中间层1

图9: 中间层2

图10: 中间层3

图11: 中间层4

图12: 底层