深入剖析LM20143評(píng)估板：從原理到設(shè)計(jì)

在電子工程師的日常工作中，一款性能出色的降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器及其評(píng)估板能為項(xiàng)目帶來(lái)極大的便利。今天我們就來(lái)詳細(xì)探討一下TI的LM20143評(píng)估板，看看它的特點(diǎn)、設(shè)計(jì)原理以及關(guān)鍵組件的選擇。

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1. LM20143概述

LM20143是一款功能全面的降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)3A的負(fù)載電流。其開(kāi)關(guān)頻率可通過(guò)外部電阻在500kHz至1.5MHz之間調(diào)節(jié)，這一特性使得功率級(jí)組件的尺寸得以減小，同時(shí)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、輸出電源正常指示以及輸出過(guò)壓保護(hù)等故障保護(hù)功能。此外，雙功能軟啟動(dòng)/跟蹤引腳可控制啟動(dòng)響應(yīng)，精密使能引腳則方便在有順序要求的應(yīng)用中對(duì)其進(jìn)行排序。該芯片采用16引腳HTSSOP封裝，帶有外露焊盤(pán)以增強(qiáng)熱性能。

2. 評(píng)估板設(shè)計(jì)特點(diǎn)

LM20143評(píng)估板在整體解決方案尺寸和穩(wěn)壓器效率之間取得了平衡。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。評(píng)估板的功率級(jí)和補(bǔ)償組件針對(duì)5V輸入電壓和1.5MHz開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行了優(yōu)化，但測(cè)試時(shí)輸入電壓可在整個(gè)工作范圍內(nèi)變化。評(píng)估板的標(biāo)稱(chēng)輸出電壓為1.2V，通過(guò)更換反饋電阻（(R{FB 1})或(R{FB 2})）可以輕松改變輸出電壓。其控制環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)旨在在整個(gè)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)。需要注意的是，板上的EN引腳必須高于1.18V（典型值）才能啟動(dòng)開(kāi)關(guān)；如果不需要EN功能，應(yīng)將EN引腳外部連接到(V_{IN})。

3. 物料清單（BOM）

評(píng)估板的物料清單涵蓋了各種關(guān)鍵組件，以下是部分重要組件的介紹：

• U1：同步降壓穩(wěn)壓器LM20143，由德州儀器生產(chǎn)，是評(píng)估板的核心組件。
• 輸入電容（(C_{IN})）：采用Murata的47μF、1210、X5R、6.3V陶瓷電容，為評(píng)估板提供必要的輸入電容。同時(shí)，為了改善旁路效果，還并聯(lián)了一個(gè)1μF的高頻電容來(lái)過(guò)濾電源上的高頻噪聲脈沖。
• 電感（L）：選擇了Coilcraft的DO1813H - 122ML電感，電感值為1.2μH，直流電阻為17mΩ，飽和電流額定值為5.3A，在效率、尺寸和電流承載能力之間取得了良好的平衡。
• 輸出電容（(C_{OUT})）：同樣采用Murata的47μF陶瓷電容，具有良好的瞬態(tài)和直流性能。其等效串聯(lián)電阻（ESR）約為3mΩ，在1.2V直流偏置下的有效電容約為32μF。

4. 組件選擇依據(jù)

4.1 輸入電容

對(duì)于降壓穩(wěn)壓器，輸入電容的均方根（RMS）電流額定值可以通過(guò)公式估算。陶瓷電容由于在小尺寸下具有較大的RMS電流額定值，非常適合該應(yīng)用。評(píng)估板選擇了Murata的47μF X5R陶瓷電容，并并聯(lián)一個(gè)1μF的高頻電容來(lái)改善旁路效果。

4.2 AVIN濾波器

為了防止PVIN上的開(kāi)關(guān)噪聲干擾連接到AVIN的內(nèi)部模擬電路，需要添加一個(gè)RC濾波器（由(R{F})和(C{F})組成）。評(píng)估板使用1Ω的電阻(R{F})，以確保在器件啟用后不會(huì)觸發(fā)欠壓鎖定（UVLO）比較器。1μF的電容(C{F})與1Ω電阻配合，在1.5MHz開(kāi)關(guān)頻率下提供大于16dB的衰減。

4.3 電感

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)建議，電感值應(yīng)選擇為使峰 - 峰紋波電流約為最大輸出電流的30%。通過(guò)計(jì)算，對(duì)于5V輸入、1.2V輸出、1.5MHz開(kāi)關(guān)頻率和3A輸出電流的應(yīng)用，標(biāo)稱(chēng)電感值約為0.68μH，但最終選擇了1.2μH的電感以適應(yīng)器件的全輸出電壓范圍。

4.4 輸出電容

輸出電容的值會(huì)影響輸出電壓的紋波以及對(duì)負(fù)載瞬態(tài)的大信號(hào)輸出電壓響應(yīng)。評(píng)估板選擇了Murata的47μF陶瓷電容，其ESR約為3mΩ，在5V輸入時(shí)輸出的峰 - 峰電壓紋波可計(jì)算為3mV。

4.5 軟啟動(dòng)電容（(C_{SS})）

軟啟動(dòng)電容可用于控制LM20143電壓穩(wěn)壓器的啟動(dòng)時(shí)間。評(píng)估板設(shè)計(jì)的軟啟動(dòng)時(shí)間約為5ms，根據(jù)公式計(jì)算得出(C_{SS})電容值為33nF。

4.6 (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1μF，但小于10μF，評(píng)估板選擇了1μF的電容。

4.7 (C_{C1})電容

(C_{C1})電容用于設(shè)置LM20143控制環(huán)路的交叉頻率。評(píng)估板為了在全輸入和輸出電壓范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，選擇了4.7nF的電容。

4.8 (R_{C1})電阻

(R_{C1})電阻用于在控制環(huán)路中設(shè)置一個(gè)零點(diǎn)，以抵消輸出濾波器極點(diǎn)。其大小可根據(jù)公式計(jì)算，為了保證穩(wěn)定性，應(yīng)針對(duì)應(yīng)用中預(yù)期的最大輸出電流進(jìn)行補(bǔ)償。

4.9 (C_{C2})電容

(C{C2})電容可用于提供一個(gè)高頻極點(diǎn)，以抵消輸出電容ESR可能引入的零點(diǎn)。評(píng)估板的(C{C2})焊盤(pán)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(huì)對(duì)控制環(huán)路引入零點(diǎn)。如果更換為具有顯著ESR的電容，可以根據(jù)公式估算(C_{C2})的值。

4.10 (R_{T})電阻

(R{T})電阻用于設(shè)置器件的工作頻率。評(píng)估板選擇了49.9kΩ的電阻，將振蕩器頻率設(shè)置為1.5MHz。通過(guò)公式可以調(diào)整(R{T})的值以支持500kHz至1.5MHz的工作頻率。

4.11 (R{FB1})和(R{FB2})電阻

(R{FB1})和(R{FB2})電阻構(gòu)成一個(gè)分壓器，用于設(shè)置電壓穩(wěn)壓器的輸出。評(píng)估板的標(biāo)稱(chēng)輸出電壓為1.2V，對(duì)應(yīng)的(R{FB1}=4.99kΩ)，(R{FB2}=10kΩ)。如果需要不同的輸出電壓，可以根據(jù)公式調(diào)整(R{FB1})的值，而(R{FB2})通常不需要改變。

5. 連接說(shuō)明

評(píng)估板的各個(gè)端子都有明確的功能：

• VIN：設(shè)備的輸入電壓端子，工作電壓范圍為2.95V至5.5V，絕對(duì)最大電壓額定值為6V。
• GND：設(shè)備的接地連接，PCB上有兩個(gè)不同的GND連接，分別用于輸入電源和負(fù)載。
• VOUT：連接到電源的輸出電壓，應(yīng)連接到負(fù)載。
• EN：連接到設(shè)備的使能引腳，可連接到(V_{IN})或外部驅(qū)動(dòng)。外部驅(qū)動(dòng)時(shí)，電壓通常大于1.18V可使能設(shè)備，工作電壓不應(yīng)超過(guò)5.5V，絕對(duì)最大電壓額定值為6V。
• SS/TRACK：提供對(duì)設(shè)備SS/TRK引腳的訪問(wèn)，大多數(shù)應(yīng)用中不需要連接。如果用外部電壓源驅(qū)動(dòng)且電壓低于0.8V參考電壓，設(shè)備的反饋引腳將跟蹤該引腳的電壓，正常工作時(shí)該引腳電壓不應(yīng)超過(guò)5.5V，絕對(duì)最大電壓額定值為6V。
• PGOOD：連接到設(shè)備的電源正常輸出，有一個(gè)10kΩ上拉電阻連接到輸入電壓。正常工作時(shí)該引腳電壓不應(yīng)超過(guò)5.5V，絕對(duì)最大電壓額定值為6V。

6. 總結(jié)

LM20143評(píng)估板為電子工程師提供了一個(gè)優(yōu)秀的平臺(tái)，用于測(cè)試和評(píng)估LM20143降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的性能。通過(guò)合理選擇組件和優(yōu)化設(shè)計(jì)，評(píng)估板在尺寸、效率和穩(wěn)定性方面取得了良好的平衡。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師可以根據(jù)具體需求調(diào)整組件參數(shù)，以滿足不同的設(shè)計(jì)要求。你在使用類(lèi)似評(píng)估板時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。