【开源分享】MP9931开源工程：破解大功率设计开发难题，助力机器人系统生态建设

[jolene.zhou]

各位论坛的工程师朋友，大家好！

近年来机器人领域随着技术不断迭代，正加速迈向规模化应用与量产落地。AI大模型与机器人深度融合，在大幅提升决策执行能力与智能交互的同时，也对整机功耗、动态响应与供电效率提出了更高要求，而这背后离不开高效稳定的动力核“芯”。

MP9931 作为一款性能突出的大功率降压控制器，便是机器人系统大功率供电方案的理想选择。 但在大功率控制器的实际开发中，工程师往往会遇到诸多棘手痛点：既要兼顾高转换效率以控制整机发热、实现电源小型化；又要应对大功率方案带来的器件选型、PCB布局及调试难题。此外，当前完整可复用的参考工程较少，进一步拉长了开发周期。

为此，我们基于 MP9931 打造了一款面向机器人生态及多种应用的开源工程——24V/48V 输入、360W 大功率降压模块（MP9931X ），并整理了这份保姆级的设计指南及相关资料，帮助大家快速上手、少走弯路。

MP9931

本方案具备明显的性能优势，有效解决传统方案痛点：

• 高转换效率 ：实测数据显示，24V转12V15A 峰值效率高达 97.08% ；48V转24V 15A 峰值效率也达到了 95.91% 。
• 优异热性能 ：实测数据显示，24V转12V15A时MOSFET和电感的外壳温升≤42°C ； 48V转24V10A 时MOSFET和电感的外壳温升≤56°C (密闭环境持续运行15min)。

项目相关的全套设计资料已准备就绪，现开放分享给大家！

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【正篇开始】设计指南

INPUT & OUTPUT

MP9931 是COT （恒定导通时间）控制模式，导通时间由MP9931 的VIN 和VOUT 的电压决定:

① VIN 采样走线尽量粗短，以保证电压精度

内部导通定时器采样VIN

② 上管HS-FET 漏极的VIN 采样走线尽量粗短，以保证电压精度

峰值电流通过VIN-SW计算

③ VOUT 采样走线尽量粗短，以保证电压精度

内部导通定时器采样VOUT、当Vo>8.4V则供电给驱动电压Vdrv

VDRV 设置

COT 控制：开关（SW ）频率容易受输入输出的电压变化而变化

• 即使通过Freq 电阻设置为100kHz ，特殊工作条件有可能升高到3MHz

①当电感和输出电容取值较大时，在软启动或短路保护（SCP）期间，在COT控制模式下，上管（HS FET）将以最小导通时间导通并以最小关断时间关断，将输出电压（Vo）充电至设定值。当Vo对地完全短路且Vin较低时，MP9931会以最高频工作直到触发电流限制（在最坏情况下，开关频率可能高达约3MHz）

②由于电感较大，电感电流的上升斜率非常缓慢，导致电流限制无法立即触发

• 设置更高的驱动电流能力，平均驱动电流计算公式：

  Idrv=Qg(HS-FET+LS-FET)* Fsw

解决方案:

1 ）通过EN UVLO 将输入电压Vin 的欠压锁定设置更高的阈值

2 ）使用外部Vdrv 偏置供电

VDRV 偏置设置

• 当使用大电感、大Qg MOSFET和输出电容时，应该需要外部Vdrv偏置供电
  ①原因：若 Idrv > 70mA （Vin/Vout 至 Vdrv LDO 驱动电流）, Vdrv 电压则会下降. 当 Vdrv<Vdrv UVLO 欠压锁定阈值，则导致MP9931启动失败
  ②设计：电路图如右图所示，从Vdrv-bias到VDRV引脚添加一个高速开关二极管 IN4148
  ③建议：在实际设计中，如果不确定Idrv电流，可以预留Vdrv偏置器件位置

• VIN、Vdrv偏置、EN最佳上电顺序为：
  Vin 上电->Vdrv-bias 上电->EN 使能从低变高

VDRV BST 肖特基选型

Vdrv到BST增加肖特基二极管B110

选型：

• 肖特基二极管的反向重复峰值电压（VRRM）必须高于输入电压
  当上管（HS FET）导通时，加在肖特基二极管上的电压应不低于输入电压（Vin）。

• 肖特基二极管在100mA时的正向压降小于0.5V
  在低压输出应用下，例如5V输出时，二极管压降太大，BST能力不足，不利于上管充分导通

MOSFET 频率选型

平均驱动电流可由以下公式计算：
Idrv=Qg(HS-FET+LS-FET)* Fsw

• MOSFET 与开关频率选型应满足Idrv< 70mA (内置LDO的最大工作电流)

• 对于高输入电压和大输出电流的情况，建议使用较低的开关频率，增大电感量，可降低开关损耗

• SW开关尖峰与MOSFET、PCB布局高度相关，需要进行应力测试

• 确保在最坏情况下开关尖峰不超过MP9931绝对最大额定值110V和MOSFET的击穿电压（BV）

Current Limit

谷值电流限制：

• 无损RDS (LS-MOSFET Ron) ：
  选择上管（HS FET）时必须考虑温度变化

• 建议使用分流电流检测电阻以实现精确的电流检测

峰值电流限制：

• 峰值电流限制内置为400mV
  当高速场效应晶体管（HS FET）导通时，通过VIN-SW电压进行检测

• 必须考虑HS FET导通电阻（Ron）与温度的关系HS-FET Ron
  温度升高时，Ron会大幅增加，100℃ Ron ≈ 1.5* 25℃ Ron
  

  

CC 模式

设置恒流（CC）模式:
MP9931 软启动（SS）上拉到VCC（电源电压）
可禁用输出欠压保护（UVP）功能，器件可利用谷值电流限制为电池充电

PCB 布局1

• 需要将Vout FB采样（4脚FB）和Vout电压检测（13脚VOUT）两种信号分开并行走线
  避免Vo到Vdrv电源轨影响FB检测，参考下图
  
  

• Vdrv到BST（自举）的肖特基连接需要尽可能短。参考下图

PCB 布局2

• 用于高边栅极驱动的TG（上管栅极）和SW（开关节点）需要按照差分走线布局

• BG（下管栅极）到低边栅极（LS）与PGND（功率地）的环路应尽可能小

PCB 布局3

• 确保电源开关回路尽可能小

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想要获得完整设计指南？请点击下载以下文件：

1.MP9931大功率控制器设计实用指南.pdf (3.0 MB)— 详解原理图优化与设计要点
2.MP9931_MPSmart_V1.1(仿真模型).zip (1.4 MB) — 助您快速进行电路仿真与特性验证
3. MP9931_Power_Loss_Spreadsheet_V1.0.xlsm.zip (216.7 KB)— 精准评估功率损耗
4. EV9931-R-00A(Demo源文件).zip (843.6 KB) — 完整的硬件设计源文件，即调即用

欢迎大家下载参考，并在本帖下方留言讨论您的使用心得或疑问，我们一起交流攻克电源设计难题！