MK9019 Buck降压电路设计笔记（光伏发电应用优化版 - UVLO 7V设置）

设计目标

  本设计针对光伏发电临时取电应用，特别优化UVLO（欠压锁定）至7V左右，确保在弱光条件下光伏板电压较低时系统能启动供电，为外部MCU等负载提供早期工作电源。MK9019 Buck降压转换器覆盖输入电压范围7V至100V（启动后工作电压低至4.5V），输出稳定5V，最大输出电流1A（DC）或3A（峰值）。设计重点包括低电压启动能力、高输入纹波抑制、宽范围效率优化和户外温度适应性（-40°C至85°C）。目标效率＞85%，整体误差＜3%，UVLO设置提供约80mV迟滞，防止频繁开关。

电路框架原理说明

  MK9019采用恒定导通时间（COT）控制架构，无需外部补偿，简化设计并提供快速瞬态响应，适合光伏电压波动场景。Buck原理通过内部MOSFETs切换SW节点，控制电感能量传输。反馈网络通过FB引脚调节输出，EN引脚设置UVLO=7V以适应弱光启动，PGOOD指示输出状态。COT架构在输入电压变化时自动调整导通时间，维持稳定输出。低UVLO确保在光伏板输出电压较低时（如清晨或阴天）系统能提前启动，提升能源利用率。

  典型应用图展示基础结构，光伏应用需强化输入滤波和UVLO设置。

下图显示其内部集成，减少外部组件。

加粗样式

详细电路结构

  针对光伏弱光启动应用，电路结构在之前基础上修改EN分压网络，降低UVLO阈值：

• 输入部分：VIN引脚前添加TVS管（可选，100V钳位）和输入电容CIN，抑制光伏浪涌。UVLO=7V允许输入电压低至7V时启动。
• 开关部分：SW引脚连接电感L，选用高饱和电流型号。
• 反馈部分：FB分压电阻（Rf1、Rf2）选用低温漂型号。
• 频率设置：RT电阻固定FSW≈320kHz。
• 使能控制：EN引脚配置电阻分压器（REN1和REN2），设置UVLO=7V，迟滞约80mV，关断电压≈6.92V。
• 输出指示：PGOOD连接MCU用于监控。
• 自举电容：CBOOT=10nF。
• 温度监控：NTC热敏电阻分压电路连接ADC。

  电路工作：当光伏电压＞7V时，芯片使能启动；电压降至＜6.92V时关断。COT控制适应VIN波动，软启动避免冲击。

原理图

详细的器件选型BOM列表

  BOM列表针对UVLO=7V优化，器件选用工业级、宽温度范围型号。所有参数基于VIN=7-100V、VOUT=5V、IOUT=1A计算。

器件类型	参数规格要求	封装	精度/容差	电器参数说明
IC (MK9019)	输入4.5-100V, 输出5V, COT控制	ESOP-8	±1% VREF	工业级温度范围, 推荐型号: MK9019GAD
输入电容 CIN	10μF, 100V, X7R陶瓷电容（并联1μF高频去耦）	1210+0805	±10%	低ESR(<5mΩ), 推荐型号: TDK C3225X7R2A106M256AC
输出电感 L	47μH, 饱和电流≥3A, 直流电阻<50mΩ	屏蔽电感	±20%	铁硅铝核心, 推荐型号: Coilcraft XAL6060-473MEB
输出电容 COUT	22μF, 25V, X7R陶瓷电容（并联100μF电解电容）	1206+径向	±20%	低ESR, 推荐型号: Murata GRM32ER71E226KA12L + Nichicon UHW0J101MPD
反馈电阻 Rf1	316kΩ, 1/4W, 低温漂±50ppm/°C	0603	±0.5%	推荐型号: Vishay PTF0603B3160BST1
反馈电阻 Rf2	100kΩ, 1/4W, 低温漂±50ppm/°C	0603	±0.5%	推荐型号: Vishay PTF0603B1000BST1
频率设置电阻 RT	51kΩ, 1/4W	0603	±1%	推荐型号: Yageo RC0603FR-0751KL
自举电容 CBOOT	10nF, 25V, X7R陶瓷电容	0603	±10%	推荐型号: Samsung CL10B103KB8NNNC
PGOOD上拉电阻	10kΩ, 1/4W	0603	±5%	推荐型号: Vishay CRCW060310K0JNEA
EN分压电阻 REN1	49.9kΩ, 1/4W（设置UVLO=7V）	0603	±1%	推荐型号: Yageo RC0603FR-0749K9L
EN分压电阻 REN2	10kΩ, 1/4W	0603	±1%	推荐型号: Yageo RC0603FR-0710KL
TVS管（可选）	100V, 600W钳位功率	SMA	-	推荐型号: Littelfuse SMBJ100A
NTC热敏电阻	10kΩ, β=3950K, 温度范围-55°C至150°C	0603	±1%	推荐型号: Murata NXRT15XH103FA5B020

  选型说明：UVLO 电阻更新为 ${\mathrm{R}}_{EN1}=49.9k\Omega ，{\mathrm{R}}_{EN2}=10k\Omega$ ；其他器件保持不变，确保低温漂和可靠性。

  原理图中部分器件参数与BOM表中有出入，最终以BOM表中参数要求为准，品牌可以不同，单参数必须保持一致，以免影响最终精度。这种差别的主要原因是EDA软件商城库中其实有对应器件，但是没有对应的器件图形库，无法绘制。

对器件参数要求做详细计算推导说明

UVLO设置计算（关键修改）

  目标 $\mathrm{UVLO}=7V$ ，使用公式：
$${\mathrm{V}}_{\mathrm{UVLO}}=\left(1+\frac{{\mathrm{R}}_{EN1}}{{\mathrm{R}}_{EN2}}\right)\times {\mathrm{V}}_{\mathrm{ENH}}$$
  其中 ${\mathrm{V}}_{\mathrm{ENH}}=1.17V$（典型值）。代入：
$$\begin{gathered} 7=\left(1+\frac{{\mathrm{R}}_{EN1}}{{\mathrm{R}}_{EN2}}\right)\times 1.17 \\ ⟹1+\frac{{\mathrm{R}}_{EN1}}{{\mathrm{R}}_{EN2}}=\frac{7}{1.17}\approx 5.9829 \\ ⟹\frac{{\mathrm{R}}_{EN1}}{{\mathrm{R}}_{EN2}}\approx 4.9829 \end{gathered}$$
  选择标准电阻值：设 ${\mathrm{R}}_{EN2}=10k\Omega$（常用值），则：
$${\mathrm{R}}_{EN1}=4.9829\times 10k\Omega \approx 49.829k\Omega$$
  选用 $49.9k\Omega \pm 1$ 标准值。实际 UVLO 计算：
$${\mathrm{V}}_{\mathrm{UVLO}}=\left(1+\frac{49.9k}{10k}\right)\times 1.17=(1+4.99)\times 1.17\approx 7.01V$$
，接近7V目标。
  迟滞电压：
$${\mathrm{V}}_{\mathrm{hys}}={\mathrm{R}}_{EN1}\times 1.6\mu \mathrm{A}=49.9\times 10^3\times 1.6\times 10^{-6}\approx 0.0798V\approx 80mV$$
  因此，关断电压 ${\mathrm{V}}_{UVLO\_off}\approx 7.01V-0.08V=6.93V$。这确保在弱光电压波动时系统稳定，避免频繁开关。

输出电压设置计算

  公式：
$${\mathrm{V}}_{\mathrm{OUT}}=1.2V\times \left(1+\frac{{\mathrm{R}}_{f1}}{{\mathrm{R}}_{f2}}\right)$$
  设 ${\mathrm{V}}_{\mathrm{OUT}}=5V$，代入得 $\frac{{\mathrm{R}}_{f1}}{{\mathrm{R}}_{f2}}\approx 3.1667$。选 ${\mathrm{R}}_{f2}=100k\Omega ，{\mathrm{R}}_{f1}=316k\Omega \pm 0.5\%$ 。误差分析：${\mathrm{V}}_{\mathrm{REF}}\pm 1\%$，电阻 $\pm 0.5\%$，总误差$\approx 1.12\%$。

开关频率设置计算

  公式：
$${\mathrm{F}}_{\mathrm{SW}}(\mathrm{kHz})=\frac{3.2\times {\mathrm{V}}_{\mathrm{OUT}}(\mathrm{V})}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{T}}(\mathrm{M\Omega })}$$
  设 ${\mathrm{F}}_{\mathrm{SW}}=320kHz，{\mathrm{V}}_{\mathrm{OUT}}=5V，得{\mathrm{R}}_{\mathrm{T}}=50k\Omega ，选用51k\Omega \pm 1\%，实际{\mathrm{F}}_{\mathrm{SW}}\approx 314kHz$ 。

验证最小导通时间：
$$\mathrm{VI}{\mathrm{N}}_{\max }=100V时，{\mathrm{D}}_{\min }=5/100=0.05，\mathrm{T}=1/{\mathrm{F}}_{\mathrm{SW}}\approx 3.18\mu \mathrm{s}，\mathrm{to}{\mathrm{n}}_{\min }\approx 159ns>50ns$$
，安全。

输入电容CIN计算

  目标 $\mathrm{\Delta VIN}=1\%（\mathrm{VIN}=50V\mathrm{时}\mathrm{\Delta VIN}=0.5V）$。公式：
$$\mathrm{\Delta }{\mathrm{V}}_{\mathrm{IN}}=\frac{{\mathrm{I}}_{\mathrm{OUT}}\times \mathrm{D}\times (1-\mathrm{D})}{{\mathrm{F}}_{\mathrm{SW}}\times {\mathrm{C}}_{\mathrm{IN}}}+{\mathrm{I}}_{\mathrm{OUT}}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{ESR}}$$
  以 $\mathrm{VIN}=50V为例，\mathrm{D}=0.1，解得{\mathrm{C}}_{\mathrm{IN}}\ge 2.82\mu \mathrm{F}，选用10\mu \mathrm{F}$ 提供余量。

输出电感L计算

$\mathrm{\Delta }{\mathrm{I}}_{\mathrm{L}}=0.4A，最坏情况\mathrm{VI}{\mathrm{N}}_{\min }=7V（启动后工作电压），\mathrm{D}=5/7\approx 0.714$：
$$\mathrm{L}=\frac{5}{320\times 10^3\times 0.4}\times \left(1-\frac{5}{7}\right)\approx \frac{5}{128000}\times 0.2857\approx 11.2\mu \mathrm{H}$$
为覆盖全范围，选$47\mu \mathrm{H}$ 标准值。验证峰值电流：
$$\begin{gathered} \mathrm{VIN}=7V\mathrm{时}\mathrm{\Delta }{\mathrm{I}}_{\mathrm{L}}最大， \\ \mathrm{\Delta }{\mathrm{I}}_{\mathrm{L}}=\mathrm{VOUT}\times (1-\mathrm{D})/({\mathrm{F}}_{\mathrm{SW}}\times \mathrm{L}) \\ =5\times 0.286/(320e3\times 47e-6)\approx 0.095A \\ \mathrm{I}{\mathrm{L}}_{\mathrm{peak}}=1+0.095/2\approx 1.048A<3A \end{gathered}$$
，安全。

输出电容 ${\mathrm{C}}_{\mathrm{OUT}}$ 计算

  目标 $\mathrm{\Delta }{\mathrm{V}}_{\mathrm{OUT}}=30mV$ ，公式：
$$\mathrm{\Delta }{\mathrm{V}}_{\mathrm{OUT}}=\frac{\mathrm{\Delta }{\mathrm{I}}_{\mathrm{L}}}{8\times {\mathrm{F}}_{\mathrm{SW}}\times {\mathrm{C}}_{\mathrm{OUT}}}$$
  代入 $\mathrm{\Delta }{\mathrm{I}}_{\mathrm{L}}=0.4A，得{\mathrm{C}}_{\mathrm{OUT}}⩾5.21\mu \mathrm{F}，选22\mu \mathrm{F}\mathrm{陶瓷电容并联}100\mu \mathrm{F}$ 电解电容。

电路分析

反馈环节传递函数分析

  COT控制无需外部补偿，反馈环路传递函数：
$$\mathrm{H}(\mathrm{s})=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{FB}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{OUT}}}=\frac{{\mathrm{R}}_{f2}}{{\mathrm{R}}_{f1}+{\mathrm{R}}_{f2}}\approx 0.240$$
  系统相位裕度 >45°，UVLO 降低不影响稳定性，但需注意输入电压低时占空比高，COT 维持快速瞬态。

  负载瞬态响应优，如上图所示。

滤波环节分析

  输入滤波阻抗：
$${\mathrm{Z}}_{\mathrm{IN}}(\mathrm{s})=\frac{1}{\mathrm{s}{\mathrm{C}}_{\mathrm{IN}}+\frac{1}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{ESR}}}}$$
  输出滤波传递函数：
$$\mathrm{G}(\mathrm{s})=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{OUT}}(\mathrm{s})}{{\mathrm{I}}_{\mathrm{L}}(\mathrm{s})}=\frac{1}{\mathrm{s}{\mathrm{C}}_{\mathrm{OUT}}}\parallel (\mathrm{sL}+{\mathrm{R}}_{\mathrm{DCR}})$$
  截止频率 ${\mathrm{f}}_{{\mathrm{c}}_{\mathrm{out}}}\approx 1.6kHz$ ，有效滤波。

对测量精度范围给出详细的分析

• 输出电压精度：误差源包括 VREF(±1%) 、电阻容差(±0.5%)和温度漂移(±50ppm/°C)。总误差计算：

$$\mathrm{\Delta }{\mathrm{V}}_{\mathrm{OUT}}=5\times \sqrt{(0.01{)}^2+(0.005{)}^2+(0.005{)}^2+(0.0005\times 100{)}^2}\approx 1.32\%$$

精度范围 4.93V至5.07V 。

• UVLO精度：受VENH精度(±1%)和电阻容差(±1%)影响，$\mathrm{UVLO}\mathrm{误差}\approx \sqrt{(0.01^2+0.01^2+0.01^2)}\approx 1.73\%，实际范围6.89V\mathrm{至}7.13V$。
• 温度影响：在-40°C至85°C，附加误差约±0.67%。

对整体误差给出详细估计

  整体误差包括：

• 静态误差：输出电压误差 ±1.32%。
• 动态误差：负载瞬态 $\mathrm{\Delta }{\mathrm{V}}_{\mathrm{OUT}}<50mV（1\%）$。
• 温度误差：±0.67%。
• UVLO误差：±1.73%，但不影响输出精度。
• 总输出误差：$\mathrm{RMS}=\sqrt{(1.32^2+1^2+0.67^2)}\approx 1.8\%，符合<3\%$ 设计目标。

对温度影响给出详细分析

• 芯片结温：以 ${\mathrm{V}}_{\mathrm{IN}}=20V,{\mathrm{I}}_{\mathrm{OUT}}=1A$ 为例，

$$\begin{gathered} \mathrm{效率}\approx 90\%，\mathrm{PD}=(1-0.9)\times 20\times 1=2W \\ {\theta }_{\mathrm{JA}}=30^{\circ }C/W，\mathrm{\Delta T}=2\times 30=60^{\circ }\mathrm{C} \\ {\mathrm{T}}_{\mathrm{A}}=85^{\circ }\mathrm{C}时，{\mathrm{T}}_{\mathrm{J}}=85+60=145^{\circ }\mathrm{C}，超过最大125^{\circ }\mathrm{C} \end{gathered}$$

  需降额或散热。

  效率图显示 24V 输出时效率高，但高压输入时效率略降，热设计关键。

• 解决方案：UVLO=7V时，低压输入工作频率增加，功耗升，建议最大IOUT降额至0.8A（TA=85°C）。
• 电感温度：饱和电流在高温下降，确保 $\mathrm{I}{\mathrm{L}}_{\mathrm{peak}}<2.4A$ 。
• 电容温度：X7R 容量变化 ±15%，影响小。

扩展使用热敏电阻温度监控方案

  针对户外应用，板载温度监控：

• 电路：10kΩ NTC与10kΩ固定电阻串联，接 VOUT，输出至 MCU ADC。
• 位置：贴近MK9019和电感。
• 计算：ADC值通过 Steinhart-Hart 方程转换温度，精度±1°C。
• 改进：设置阈值（如125°C）触发关机。

PCB布局详细要求说明

  布局优先散热和噪声抑制，单位mm（mil）：

• 输入部分：CIN 靠近 VIN 和 GND，距离<3mm（118mil），环路面积 < 10mm²（1550mil²）。
• EN网络：REN1和REN2靠近EN引脚，走线短以减少噪声。
• 开关节点：SW走线<8mm（315mil），远离反馈线。
• 热管理：裸露焊盘连接大面积铜箔，尺寸≥15mm×15mm（590mil×590mil），添加过孔散热。
• 整体布局：参考文档示例，单面布局。

  布局示例展示组件排列，需强化GND连接。

可能的改进点

• 效率优化：在UVLO=7V时，低压输入效率低，可添加外部二极管减少导通损失。
• 启动序列：外部MCU控制EN引脚，实现软启动管理。
• MPPT集成：简单算法调整负载点，提升弱光效率。
• 成本优化：选用X5R电容，但牺牲温度性能。
• 可靠性提升：添加输入反接保护电路。

  本设计通过降低UVLO至7V，增强光伏弱光启动能力，同时保持整体性能。建议原型测试验证低压启动和热行为。

鸣谢：茂睿芯（深圳）科技有限公司

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公司: 赤道物联(深圳)有限公司 授权公开发布
设计人: 卖卤肉的
审核: 四重奏电子团
内部版本号: Rev1.3
免责声明: 本设计笔记仅供参考，学习交流使用，实际应用需自行验证。
日期: 2025年10月5日