德州儀器LM20124評估板：高效降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計與應(yīng)用

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源管理是至關(guān)重要的一環(huán)。德州儀器（TI）的LM20124降壓開關(guān)穩(wěn)壓器以其出色的性能和豐富的功能，成為眾多工程師的首選。今天，我們就來深入探討一下基于LM20124的評估板設(shè)計，以及各個組件的選擇要點。

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一、LM20124概述

LM20124是一款功能齊全的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，能夠驅(qū)動高達4A的負載電流。其標稱1MHz的開關(guān)頻率在減小功率級組件尺寸的同時，還能實現(xiàn)高效運行。該穩(wěn)壓器可將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、輸出電源正常指示和輸出過壓保護等故障保護功能。此外，雙功能軟啟動/跟蹤引腳可控制啟動響應(yīng)，精密使能引腳則便于在有排序要求的應(yīng)用中對LM20124進行排序。它采用16引腳HTSSOP封裝，帶有外露焊盤以增強熱性能。

二、評估板設(shè)計特點

LM20124評估板旨在平衡整體解決方案尺寸和穩(wěn)壓器效率。它采用兩層PCB，尺寸略小于1.3” × 1.1”，所有組件都放置在頂層。功率級和補償組件針對5V輸入電壓進行了優(yōu)化，但測試時輸入電壓可在整個工作范圍內(nèi)變化。評估板的標稱輸出電壓為1.2V，通過更換反饋電阻（ (R{FB 1}) 或 (R{FB 2}) ）可輕松改變輸出電壓。控制環(huán)路補償設(shè)計確保在整個輸入和輸出電壓范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的解決方案，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)，如果不需要EN功能，應(yīng)將EN引腳外部連接到 (V_{IN}) 。

三、組件選擇

1. 輸入電容

對于降壓穩(wěn)壓器，輸入電容的所需RMS電流額定值可通過特定方程估算。陶瓷電容具有小尺寸大 (I{RMS}) 額定值的特點，非常適合該應(yīng)用。評估板選用了村田的100 μF X5R陶瓷電容，其 (I{RMS}) 額定值為5.4A，為評估板提供了必要的輸入電容。為了改善旁路效果，還并聯(lián)了一個1 μF的高頻電容來過濾電源上的高頻噪聲脈沖。

2. AVIN濾波器

為防止PVIN上的開關(guān)噪聲干擾連接到AVIN的內(nèi)部模擬電路，需添加RC濾波器（ (R{F}) 和 (C{F}) ）。 (R{F}) 的尺寸有實際限制，因為AVIN引腳在啟動期間會有60mA的短時電流脈沖，如果 (R{F}) 太大，產(chǎn)生的電壓降可能會觸發(fā)UVLO比較器。評估板使用1Ω電阻作為 (R{F}) ，確保啟用器件后不會觸發(fā)UVLO。推薦的1uF (C{F}) 電容與1Ω電阻配合，在1MHz開關(guān)頻率下可提供約16dB的衰減。

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%。通過特定方程計算，對于 (V{IN}=5V) 、 (V{OUT }=1.2V) 、 (f{s w}=1 MHz) 和 (I{OUT }=4A) 的應(yīng)用，標稱電感值約為0.76uH，最終選擇1uH的電感器，這會在轉(zhuǎn)換器分別從5V和3.3V供電時產(chǎn)生912mA和1.122A的峰峰值紋波電流。對于LM20124評估板，Coilcraft MSS1038 - 102NL電感器在效率（6mΩ DCR）、尺寸和飽和電流額定值（9A (I_{SAT}) 額定值）之間取得了良好的平衡。

4. 輸出電容

輸出電容的值會影響輸出電壓的紋波以及負載瞬態(tài)時的大信號輸出電壓響應(yīng)。通過特定方程可近似計算輸出電壓紋波，紋波電壓可分為兩部分，一部分歸因于交流紋波電流通過輸出電容的ESR，另一部分是交流紋波電流對輸出電容的充放電。評估板選用村田的100 μF陶瓷電容作為輸出電容，其ESR約為2mΩ，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輸入下運行時，輸出的峰峰值電壓紋波可計算為3.9mV。

5. (C_{SS})

軟啟動電容可用于控制LM20124電壓穩(wěn)壓器的啟動時間。通過特定方程估算，對于LM20124， (I{SS}) 標稱值為5μA，評估板的軟啟動時間設(shè)計為約5ms，因此 (C{SS}) 電容值為33nF。

6. (C_{VCC})

(C_{VCC}) 電容用于旁路內(nèi)部2.7V子穩(wěn)壓器，其尺寸應(yīng)等于或大于1μF，但小于10μF，對于大多數(shù)應(yīng)用，1μF的值就足夠了。

7. (C_{C1})

電容 (C{C1}) 用于設(shè)置LM20124控制環(huán)路的交叉頻率。由于該板針對全輸入和輸出電壓范圍進行了優(yōu)化， (C{C1}) 的值選擇為3.3nF。了解器件的工作條件后，可通過減小 (C{C1}) 的值并計算 (R{C1}) 的值來優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)。

8. (R_{C1})

確定 (C{C1}) 的值后，電阻 (R{C1}) 用于在控制環(huán)路中設(shè)置一個零點，以抵消輸出濾波器極點。該電阻可根據(jù)特定方程進行尺寸設(shè)計，為了穩(wěn)定性，應(yīng)針對應(yīng)用中預(yù)期的最大輸出電流對器件進行補償。

9. (C_{C2})

在某些設(shè)計中，第二個補償電容 (C{C2}) 可用于提供高頻極點，用于抵消輸出電容ESR可能引入的零點。對于LM20124評估板， (C{C2}) 焊盤未填充，因為輸出使用的低ESR陶瓷電容在交叉頻率之前不會為控制環(huán)路貢獻零點。如果評估板上的陶瓷電容被具有顯著ESR的不同電容替換，則可通過特定方程估算 (C_{C2}) 的所需值。

10. (R{FB 1}) 和 (R{FB 2})

電阻 (R{FB 1}) 和 (R{FB 2}) 構(gòu)成從 (V{OUT}) 到反饋引腳的分壓器，用于設(shè)置電壓穩(wěn)壓器的輸出。評估板的標稱輸出設(shè)置為1.2V，此時 (R{FB 1}=4.99kΩ) ， (R{FB 2}=10kΩ) 。如果需要不同的輸出電壓，可根據(jù)特定方程調(diào)整 (R{FB 1}) 的值，而 (R_{FB 2}) 無需改變。

四、評估板原理圖與物料清單

評估板的原理圖展示了各個組件的連接方式，物料清單詳細列出了每個組件的設(shè)計代號、描述、型號、制造商和數(shù)量。這為工程師進行實際設(shè)計和組裝提供了清晰的指導(dǎo)。

五、連接說明

評估板的各個端子都有明確的功能和連接要求，如 (V{IN}) 為輸入電壓端子， (GND) 為接地端子， (V{OUT}) 為輸出電壓端子， (EN) 為使能引腳端子等。了解這些連接說明對于正確使用評估板至關(guān)重要。

六、性能特性

評估板的性能特性包括效率與負載的關(guān)系、負載瞬態(tài)響應(yīng)和負載調(diào)節(jié)等。通過相關(guān)圖表可以直觀地看到不同輸入電壓下的效率變化以及負載變化時的輸出電壓響應(yīng)。

七、PCB布局

評估板的PCB布局分為頂層和底層，合理的布局有助于提高電路的性能和穩(wěn)定性。

在實際設(shè)計中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和性能要求，對各個組件進行合理選擇和優(yōu)化。你在使用LM20124評估板的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。