深入剖析LM20144評估板：設(shè)計(jì)原理與性能特性

在電子工程師的日常工作中，電源管理芯片的設(shè)計(jì)與應(yīng)用是一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。今天，我們就來深入探討一下TI的LM20144評估板，它在電源管理領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值。

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一、LM20144芯片概述

LM20144是一款功能全面的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，能夠驅(qū)動高達(dá)4A的負(fù)載電流。其開關(guān)頻率可通過外部電阻在500kHz至1.5MHz之間變化，這一特性在減小功率級組件尺寸的同時，還能保證高效運(yùn)行。它可以將2.95V至5.5V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為低至0.8V的輸出電壓，具備逐周期電流限制、輸出電源良好指示以及輸出過壓保護(hù)等故障保護(hù)功能。此外，雙功能軟啟動/跟蹤引腳可控制啟動響應(yīng)，精確使能引腳能輕松實(shí)現(xiàn)有順序要求的應(yīng)用。該芯片采用16引腳HTSSOP封裝，帶有外露焊盤以增強(qiáng)散熱性能。

二、評估板設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 尺寸與布局

LM20144評估板在設(shè)計(jì)上平衡了整體解決方案的尺寸和穩(wěn)壓器的效率。它采用兩層PCB，尺寸略小于1.3” x 1.1”，所有組件都放置在頂層。

2.2 電氣參數(shù)

評估板的功率級和補(bǔ)償組件針對5V輸入電壓和1MHz開關(guān)頻率進(jìn)行了優(yōu)化，但測試時輸入可在整個工作范圍內(nèi)變化。輸出電壓標(biāo)稱值為1.2V，通過更換反饋電阻（ (R{FB 1}) 或 (R{FB 2}) ）可輕松改變?？刂骗h(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)能在整個輸入和輸出電壓范圍內(nèi)提供穩(wěn)定解決方案，并具有合理的瞬態(tài)響應(yīng)。板上的EN引腳必須高于1.18V（典型值）才能啟動開關(guān)，若不需要EN功能，應(yīng)將EN引腳外部連接到 (V_{IN}) 。

三、物料清單（BOM）

四、連接說明

4.1 輸入輸出連接

• V IN：是設(shè)備的輸入電壓，設(shè)備可在2.95V至5.5V的輸入電壓范圍內(nèi)工作，該引腳的絕對最大電壓額定值為6V。
• GND：是設(shè)備的接地連接，PCB上有兩個不同的GND連接，一個用于輸入電源，另一個用于負(fù)載。
• V OUT：連接到電源的輸出電壓，應(yīng)連接到負(fù)載。

4.2 控制引腳連接

• EN：連接到設(shè)備的使能引腳，可連接到 (V_{IN}) 或外部驅(qū)動。外部驅(qū)動時，典型電壓大于1.18V可使能設(shè)備，該引腳的工作電壓不應(yīng)超過5.5V，絕對最大電壓額定值為6V。
• SS/TRACK：可訪問設(shè)備的SS/TRK引腳，大多數(shù)應(yīng)用中不需要連接此引腳。若用低于0.8V參考電壓的外部電壓源驅(qū)動，設(shè)備的反饋引腳將跟蹤該引腳上的電壓，正常工作時該引腳電壓不應(yīng)超過5.5V，絕對最大電壓額定值為6V。
• PGOOD：連接到設(shè)備的電源良好輸出，該引腳到輸入電壓有一個10 kΩ上拉電阻，正常工作時該引腳電壓不應(yīng)超過5.5V，絕對最大電壓額定值為6V。

五、組件選擇

5.1 輸入電容

輸入電容的RMS電流額定值可通過公式 (I{C I N(R M S)}=I{OUT } sqrt{D(1-D)}) 估算，其中 (D=frac{V{OUT }}{V{IN }}) 。在最大4A負(fù)載電流且系統(tǒng)以50%占空比運(yùn)行時， (I{CIN(RMS)}) 需求最大。評估板選用了Murata的100 μF X5R陶瓷電容，其 (I{RMS}) 額定值為5.4A，還并聯(lián)了一個1 μF高頻電容以過濾電源上的高頻噪聲脈沖。

5.2 (AV IN) 濾波器

為防止 (PV IN) 上的開關(guān)噪聲干擾連接到 (AV IN) 的內(nèi)部模擬電路，添加了由 (R{F}) 和 (C{F}) 組成的RC濾波器。評估板使用1 Ω電阻 (R{F}) ，以確保啟用部件后不會觸發(fā)UVLO比較器，1 μF的 (C{F}) 電容與1 Ω電阻配合，在1 MHz開關(guān)頻率下提供約16dB的衰減。

5.3 電感器

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊建議，電感器值應(yīng)使峰峰值紋波電流約為最大輸出電流的30%。通過公式 ((V{IN} - V{OUT}) times D div (L times f{SW}) = Delta I{P - P}) 計(jì)算，對于 (V{IN}=5V) 、 (V{OUT}=1.2V) 、 (f{sw}=1 MHz) 和 (I{OUT}=4A) 的應(yīng)用，標(biāo)稱電感值約為0.76 μH，最終選擇1 μH的電感器，在5V和3.3V輸入時，峰峰值紋波電流分別為912 mA和1.122A。評估板選用的Coilcraft MSS1038-102NL電感器在效率（6 mΩ DCR）、尺寸和飽和電流額定值（9A (SAT) 額定值）之間取得了良好平衡。

5.4 輸出電容

輸出電容的值會影響輸出電壓的紋波以及負(fù)載瞬態(tài)時的大信號輸出電壓響應(yīng)。輸出電壓紋波可通過公式 (Delta V{OUT }=Delta I{P.P } timesleft[R{ESR}+frac{1}{8 times f{SW} times C_{OUT }}right]) 近似計(jì)算。評估板選用Murata的100 μF陶瓷電容作為輸出電容，其ESR約為2 mΩ，有效電路電容約為55 μF（由于1.2V直流偏置從100 μF降低），在5V輸入下，輸出的峰峰值電壓紋波可計(jì)算為3.9 mV。

5.5 (C_{ss}) 軟啟動電容

軟啟動電容可控制LM20144穩(wěn)壓器的啟動時間，啟動時間可通過公式 (t{S S}=frac{0.8 V times C{S S}}{I{S S}}) 估算，對于LM20144， (I{SS}) 標(biāo)稱值為5 μA。評估板的軟啟動時間設(shè)計(jì)為約5 ms，因此 (C_{ss}) 電容值為33 nF。

5.6 (C_{vcc}) 電容

(C_{vcc}) 電容用于旁路內(nèi)部2.7V子穩(wěn)壓器，其大小應(yīng)等于或大于1 μF，但小于10 μF，大多數(shù)應(yīng)用中1 μF的值就足夠了。

5.7 (C_{C 1}) 電容

(C{C 1}) 電容用于設(shè)置LM20144控制環(huán)路的交叉頻率，評估板為在全輸入和輸出電壓范圍內(nèi)良好工作進(jìn)行了優(yōu)化， (C{C 1}) 值選擇為3.3 nF。了解設(shè)備的工作條件后，可通過減小 (C{C 1}) 值并計(jì)算 (R{C 1}) 值來優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)。

5.8 (R_{C 1}) 電阻

已知 (C{C 1}) 值后， (R{C 1}) 電阻用于在控制環(huán)路中放置一個零點(diǎn)以抵消輸出濾波器極點(diǎn)，其大小可根據(jù)公式 (R{C 1}=left[frac{C{C 1}}{C{O U T}} timesleft[frac{I{O T}}{V{O U T}}+frac{1 - D}{f{S W} times L}+frac{15 times D}{V_{N N}}right]right]^{-1}) 確定。為保證穩(wěn)定性，應(yīng)針對應(yīng)用中預(yù)期的最大輸出電流對設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償。

5.9 (C_{C 2}) 電容

在某些設(shè)計(jì)中， (C{C 2}) 電容可提供高頻極點(diǎn)，用于抵消輸出電容ESR可能引入的零點(diǎn)。評估板上 (C{C 2}) 焊盤未填充，因?yàn)檩敵鍪褂玫牡虴SR陶瓷電容在交叉頻率之前不會為控制環(huán)路貢獻(xiàn)零點(diǎn)。若更換為具有顯著ESR的電容，可通過公式 (C{C 2}=frac{C{OUT } times R{ESR}}{R{C 1}}) 估算 (C_{C 2}) 的值。

5.10 (R_{T}) 電阻

(R{T}) 的值將設(shè)置設(shè)備的工作頻率，評估板選擇100 kΩ的值將振蕩器頻率設(shè)置為1 MHz，可通過公式 (R{T}=left(frac{154750}{f{S W}}right)-55) 調(diào)整 (R{T}) 值以支持500 kHz至1.5 MHz的工作頻率。

5.11 (R{FB 1}) 和 (R{FB 2}) 電阻

(R{FB 1}) 和 (R{FB 2}) 電阻構(gòu)成從 (V{OUT}) 到反饋引腳的分壓器，用于設(shè)置穩(wěn)壓器的輸出。評估板標(biāo)稱輸出設(shè)置為1.2V，此時 (R{FB 1}=4.99 kΩ) ， (R{FB 2}=10 kΩ) 。若需要不同的輸出電壓，可根據(jù)公式 (R{FB 1}=left(frac{V{OUT }}{0.8}-1right) times R{FB 2}) 調(diào)整 (R{FB 1}) 的值， (R{FB 2}) 保持10 kΩ不變。

六、總結(jié)

通過對LM20144評估板的深入分析，我們可以看到它在電源管理方面的優(yōu)秀設(shè)計(jì)和性能。從芯片的特性到評估板的布局、組件選擇，每一個環(huán)節(jié)都經(jīng)過了精心的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。電子工程師在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體需求對評估板進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，以滿足不同的應(yīng)用場景。大家在使用LM20144評估板時，有沒有遇到過什么有趣的問題或者獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評論區(qū)分享。