德州儀器LM2593HV評(píng)估板設(shè)計(jì)解析

在電子工程領(lǐng)域，電源模塊的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。今天就來深入探討一下德州儀器（Texas Instruments）的LM2593HV評(píng)估板，剖析其設(shè)計(jì)要點(diǎn)與組件選擇。

文件下載：LM2593HVEVAL.pdf

評(píng)估板規(guī)格概述

這款評(píng)估板設(shè)計(jì)用于標(biāo)稱48V的直流輸入，并且能夠安全承受高達(dá)60V的電壓。其穩(wěn)壓直流輸出為12V，最大負(fù)載電流可達(dá)2A。它采用了7引腳表面貼裝封裝（TO263）的可調(diào)版本LM2593HV。通過精心的布局，該評(píng)估板無需在二極管兩端使用緩沖器，并且使用的組件數(shù)量最少。此外，它具備關(guān)機(jī)功能和錯(cuò)誤標(biāo)志輸出，還集成了軟啟動(dòng)和延遲輸出錯(cuò)誤信號(hào)功能，整體效率高于85%。

評(píng)估板不使用外部散熱器或通孔元件，適合全自動(dòng)生產(chǎn)流程。它僅需1.7 x 2.0 x 0.7立方英寸的空間。印刷電路板（PCB）為標(biāo)準(zhǔn)的1.6毫米厚（62密耳）“1/2盎司”雙面FR4層壓板，并進(jìn)行了額外的銅電鍍，銅的總量略超過1盎司（“1盎司”為1.4密耳/35微米厚）。為了在回流焊過程中讓焊料沉積在導(dǎo)線上以輔助散熱，導(dǎo)線未進(jìn)行掩膜處理。該轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)用于在自然對(duì)流條件下，最高環(huán)境溫度為40°C時(shí)，以額定負(fù)載連續(xù)運(yùn)行。

組件選擇

電感

在設(shè)計(jì)中，我們?cè)O(shè)定輸入電壓 (V{IN}=48V)，輸出電壓 (V{O}=12V)，負(fù)載電流 (I{Q}=2A)。這里定義“D”為占空比，“r”為紋波電流比 (Delta l / l{circ}) 。根據(jù)LM2593HV Simple SWITCHER Power Converter 150 kHz 2A Step - Down Voltage Regulator, With Features Data Sheet（SNVS082）中的設(shè)計(jì)程序電感列線圖以及AN - 1197 Selecting Inductors for Buck Converters（SNVA038）中的指南，選擇“r”為0.3?！皉”與電感通過公式 (r=frac{E t}{l cdot b c}) 相關(guān)，其中“Et”是施加的伏微秒，(I_{DC}) 是最大額定負(fù)載電流（單位：安培），L是電感（單位：微亨）。

首先計(jì)算占空比，其中 (V{D}) 是二極管正向電壓降（約0.5V），(V{sw}) 是開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的壓降加上任何寄生效應(yīng)（約1.5V）。然后計(jì)算開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間 (t{ON}=frac{0}{f}=frac{(12 + 0.5) × 10^{5}}{(48 - 1.5 + 0.5) × 150000} mu s = 1.77 mu s) ，進(jìn)而得到伏微秒 (Et=(V{IN}-V{SW}-V{0}) × t_{ON}=(48 - 1.5 - 12) × 1.77 V mu s = 61.1 V mu s) ，估算電感 (L = 101.8 mu H) 。

電感的初步選擇通?；谏鲜鲇?jì)算的電感值和最大負(fù)載電流?？紤]到輸入電壓超過40V，為確保轉(zhuǎn)換器在輸出過載或短路時(shí)不受損壞，我們從Coilcraft選擇了一個(gè)100 μH/1.8A的鼓形磁芯電感，該電感在3A以上會(huì)飽和，并且設(shè)計(jì)用于在最高環(huán)境溫度85°C時(shí)溫度上升40°C。由于演示板的最高環(huán)境溫度僅為40°C，且該電感在最大負(fù)載電流下不會(huì)飽和，因此在略高于其連續(xù)額定值的負(fù)載電流下使用是可行的。

輸入電容

輸入電容的額定電壓必須高于直流輸入電壓。由于鉭電容的最大額定電壓為50V，且存在固有浪涌電流限制（在高輸入電壓時(shí)尤為重要），因此不適合用于此設(shè)計(jì)。我們從Panasonic選擇了一個(gè)63V的鋁電解表面貼裝電容，其大小根據(jù)公式6計(jì)算得出，能夠處理均方根電流。所選電容為100 μF，在100 kHz時(shí)的均方根電流額定值為1.02A。

輸出電容

出于物流原因，輸出電容選擇了與輸入電容類似的類型。最初，其大小僅根據(jù)公式7計(jì)算得出，以處理均方根電流，并且額定電壓略高于輸出電壓。隨后，通過反饋回路的波特圖確認(rèn)相位裕度在40°左右是可接受的，從而驗(yàn)證了最初的選擇。所選電容為47 μF/16V，在100 kHz時(shí)的均方根電流額定值為0.24A，等效串聯(lián)電阻（ESR）為0.36 Ω。

續(xù)流二極管

續(xù)流二極管的額定電壓必須高于輸入電壓，這里選擇了60V的肖特基二極管。續(xù)流二極管的平均電流為 (AVO D = 2 cdot(1 - 0.27)=1.47 A) 。通常，平均電流是選擇二極管的起點(diǎn)，但60V肖特基二極管的正向電壓降比低壓肖特基二極管高，除非它們?cè)陔娏黝~定值方面“過大”。為了保證良好的效率，我們選擇了一個(gè)“熱降”（二極管發(fā)熱時(shí)的正向壓降）不大于0.5V（在約2A的瞬時(shí)正向電流下）的二極管，即International Rectifier的3A/60V肖特基二極管。

原理圖與布局

評(píng)估板的原理圖如圖1所示，原理圖上還標(biāo)明了關(guān)鍵的布局建議。評(píng)估板具備關(guān)機(jī)功能，板上標(biāo)記為“SD”的引腳拉低時(shí)，轉(zhuǎn)換器的輸出將降至0V。“Flag”引腳輸出也可用，當(dāng)輸出穩(wěn)壓良好時(shí)，該引腳拉高（通過R3上拉至12V電源軌）；當(dāng)輸出“不正常”時(shí)，該引腳由IC內(nèi)部拉低，此時(shí)它吸收 (12 V / 21 K = 0.6 mA) 的電流?！癋lag”引腳的最大電壓不應(yīng)超過45V，流入的電流不應(yīng)高于3 mA，因此在這種情況下不能直接連接到輸入電壓軌。電阻R1和R2構(gòu)成一個(gè)簡單的分壓器，當(dāng)輸出為12V時(shí)，在反饋引腳處提供1.23V的電壓。

布局與物料清單

評(píng)估板的兩面分別如圖2和圖3所示，物料清單如表1所示。

總結(jié)

德州儀器的LM2593HV評(píng)估板在電源設(shè)計(jì)方面展現(xiàn)了出色的性能和可靠性。通過合理的組件選擇和精心的布局，它能夠滿足特定的電源需求，并且適合全自動(dòng)生產(chǎn)流程。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和要求，對(duì)組件進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和優(yōu)化。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否也遇到過類似的電源設(shè)計(jì)問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。