探索LM21305 POL模塊：高效DC - DC解決方案

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，DC - DC點(diǎn)負(fù)載（POL）解決方案對(duì)于為各種電子設(shè)備提供穩(wěn)定、高效的電源至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入了解德州儀器（TI）的LM21305 POL演示模塊和參考設(shè)計(jì)，看看它能為我們帶來(lái)哪些驚喜。

文件下載：LM21305DEMO/NOPB.pdf

一、LM21305模塊概述

LM21305同步降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器板載模塊是一個(gè)完整且易于使用的DC - DC點(diǎn)負(fù)載解決方案。它能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)5A的負(fù)載電流，具有出色的轉(zhuǎn)換效率、輸出電壓精度、負(fù)載和線性調(diào)整率。該模塊的輸入電壓范圍為3V至18V，可提供低至0.598V的可調(diào)且精確的輸出電壓。

設(shè)計(jì)特點(diǎn)

• 平衡尺寸與效率：在設(shè)計(jì)過(guò)程中，該模塊兼顧了整體解決方案的尺寸和穩(wěn)壓器效率，展現(xiàn)出高電流密度。其功率級(jí)針對(duì)12V輸入電壓和500kHz開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行了優(yōu)化。
• 輸出電壓調(diào)整：默認(rèn)輸出電壓為1.8V，但可通過(guò)修改反饋電阻輕松重新定義。此外，通過(guò)在TRIM引腳和GND或VOUT之間連接電阻，還能分別上調(diào)或下調(diào)輸出電壓。
• 控制環(huán)路補(bǔ)償：為了實(shí)現(xiàn)快速的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)的穩(wěn)定運(yùn)行，電流模式控制環(huán)路的補(bǔ)償設(shè)計(jì)提供了50kHz的環(huán)路帶寬和60°的相位裕度。
• 引腳功能：Enable（EN）和Power Good（PGOOD）引腳可用于在具有多個(gè)電壓軌和明確排序要求的電源系統(tǒng)中輕松配置LM21305。

二、POL模塊特性

電氣性能

• 輸出電流范圍：0A至5A，能滿(mǎn)足多種負(fù)載需求。
• 輸入電壓范圍：3V至18V，無(wú)需外部偏置電源。
• 效率表現(xiàn)：在3.3V/5A時(shí)效率達(dá)90%，在1.8V/5A時(shí)效率為85%。

其他特性

• 全陶瓷電容設(shè)計(jì)：有助于提高穩(wěn)定性。
• 可編程輸入欠壓鎖定（UVLO）：通過(guò)精密使能實(shí)現(xiàn)。
• 固定開(kāi)關(guān)頻率：500kHz默認(rèn)開(kāi)關(guān)頻率，可通過(guò)SYNC引腳調(diào)整，具有可預(yù)測(cè)的EMI特性，便于濾波。
• 可選AVIN外部偏置輸入：如果系統(tǒng)有5V電源可用。

三、POL模塊封裝亮點(diǎn)

• 小巧尺寸：0.9” x 0.7”（22.8 mm x 17.8 mm）的小型化外形。
• 引腳設(shè)計(jì)：0.04”直徑引腳（帶有固有支座），用于PVIN、VOUT、GND、TRIM、SYNC、EN、PGOOD和AVIN。
• PCB結(jié)構(gòu)：4層標(biāo)準(zhǔn)FR4層壓PCB，頂層、底層和兩個(gè)內(nèi)層均為2oz/ft2（70 μm）銅厚，整體PCB厚度為62 mil（0.062”，1.6 mm）。

四、LM21305調(diào)節(jié)器IC特性

• 集成MOSFET：集成了低RDSon、低QG的高端和低端功率MOSFET（分別為44 mΩ和22 mΩ）。
• 優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)器：實(shí)現(xiàn)低開(kāi)關(guān)死區(qū)時(shí)間，便于高效高頻操作。
• 啟動(dòng)特性：可在預(yù)偏置負(fù)載下實(shí)現(xiàn)真正的單調(diào)啟動(dòng)。
• 反饋精度：在全結(jié)溫范圍TJ = -40°C至125°C內(nèi)，反饋（FB）電壓精度為±1.6%。
• 控制模式：峰值電流模式控制，具有逐周期電流限制。
• 其他特性：輸出功率良好標(biāo)志、電阻可調(diào)開(kāi)關(guān)頻率（300 kHz至1.5 MHz）、頻率同步、輕載時(shí)的二極管仿真模式、帶遲滯的精密使能、輸出過(guò)壓保護(hù)（OVP），采用5 mm x 5 mm WQFN - 28封裝，帶有外露裸片附著焊盤(pán)（DAP）。

五、POL模塊設(shè)計(jì)理念

該P(yáng)OL模塊設(shè)計(jì)為盡可能靠近負(fù)載點(diǎn)安裝在系統(tǒng)主板上。雖然它可以獨(dú)立運(yùn)行進(jìn)行臺(tái)面測(cè)量等，但當(dāng)焊接到主板上時(shí)，其熱特性會(huì)顯著改善。模塊的大部分傳導(dǎo)熱傳遞通過(guò)其VIN、VOUT和GND連接端子實(shí)現(xiàn)。利用主板PCB疊層中通常可用的銅多邊形和平面，可降低模塊的有效熱阻抗，從而降低LM21305調(diào)節(jié)器IC的結(jié)溫上升。需要注意的是，如果模塊獨(dú)立運(yùn)行，應(yīng)提供足夠的氣流以避免溫度過(guò)高。此外，主板上還可放置額外的無(wú)源組件以實(shí)現(xiàn)更多功能，如TRIM電阻用于調(diào)整VOUT，與EN或PGOOD相關(guān)的組件用于特定的啟動(dòng)排序或延遲要求等。

六、輸出電壓調(diào)整

反饋電阻調(diào)整

Trim功能調(diào)整

通過(guò)在模塊的TRIM引腳連接電阻，可在標(biāo)稱(chēng)設(shè)定點(diǎn)之上或之下調(diào)整輸出電壓。LM21305的反饋（FB）節(jié)點(diǎn)和TRIM引腳之間的電阻（Rtrim）決定了輸出電壓的可調(diào)范圍。若要增加輸出電壓，需在TRIM引腳和GND之間連接電阻；若要降低輸出電壓，則需在TRIM引腳和VOUT引腳之間連接電阻。推薦Rtrim = 20 kΩ，可將輸出電壓從1.2V調(diào)整到2.4V（標(biāo)稱(chēng)值的±33%），同時(shí)保持可接受的控制環(huán)路性能。

七、其他特性及應(yīng)用

環(huán)路補(bǔ)償

輸出電壓的變化會(huì)直接影響從VOUT到LM21305的FB引腳的增益，從而影響整體環(huán)路增益。當(dāng)輸出電壓調(diào)整到最低時(shí)，環(huán)路增益最高；在較高輸出電壓（環(huán)路增益相對(duì)較低）下運(yùn)行時(shí)，若要實(shí)現(xiàn)最佳瞬態(tài)性能，可能需要對(duì)控制環(huán)路進(jìn)行重新補(bǔ)償。例如，當(dāng)輸出電壓調(diào)整到最高2.4V時(shí)，交叉頻率會(huì)降至40 kHz。建議使用LM21305快速啟動(dòng)計(jì)算器來(lái)推導(dǎo)合適的補(bǔ)償組件，以最大化給定輸出電壓下的環(huán)路性能。

可編程UVLO帶遲滯

模塊上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)電阻分壓器，可用于設(shè)置精確的UVLO電平，目前設(shè)置在最低輸入工作電壓以下，使模塊在VIN = 2.93V（典型值）時(shí)開(kāi)啟。用戶(hù)通常會(huì)調(diào)整Ren1和/或Ren2的值來(lái)改變UVLO電平，以適應(yīng)目標(biāo)應(yīng)用。通過(guò)將EN引腳拉低可關(guān)閉模塊。

外部偏置電源

通過(guò)移除電阻Rf，可將外部偏置電源軌（5V）連接到AVIN引腳。這可以在低輸入電壓時(shí)提高柵極驅(qū)動(dòng)電平，并減輕LM21305 LDO偏置電源在高輸入電壓時(shí)的功耗。需要注意的是，LM21305的UVLO參考AVIN引腳的電壓；為了實(shí)現(xiàn)有效的軟啟動(dòng)，PVIN應(yīng)在AVIN之前上電。

典型應(yīng)用

• POL轉(zhuǎn)換：適用于3.3V、5V和12V中間總線軌的POL轉(zhuǎn)換。
• 通信基礎(chǔ)設(shè)施：如光網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器、基站、存儲(chǔ)系統(tǒng)等。
• 空間受限應(yīng)用：工業(yè)控制和工廠自動(dòng)化。
• 其他領(lǐng)域：無(wú)線電、醫(yī)療、測(cè)試和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（可調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率以避免與其他電路干擾）。

LM21305 POL模塊憑借其出色的性能、靈活的設(shè)計(jì)和豐富的功能，為電子工程師提供了一個(gè)可靠的DC - DC點(diǎn)負(fù)載解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們可以根據(jù)具體需求充分利用其特性，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源設(shè)計(jì)。大家在使用過(guò)程中有沒(méi)有遇到過(guò)什么問(wèn)題或者有什么獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。