基于 LM2696 的演示板設(shè)計(jì)詳解

在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一款性能出色且易于調(diào)試的降壓調(diào)節(jié)器是工程師的得力助手。LM2696 作為一款常通時(shí)間（Constant on-time）的降壓調(diào)節(jié)器，憑借其出色的性能和廣泛的應(yīng)用范圍備受關(guān)注。今天，我們就來(lái)詳細(xì)探討基于 LM2696 的演示板設(shè)計(jì)。

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一、LM2696 簡(jiǎn)介

LM2696 能夠向負(fù)載提供高達(dá) 3A 的電流，其開(kāi)關(guān)頻率范圍在 100kHz 至 500kHz 之間，支持 4.5V 至 24V 的輸入電壓。此外，它還內(nèi)置軟啟動(dòng)功能和電源良好標(biāo)志，方便實(shí)現(xiàn)多個(gè)調(diào)節(jié)器之間的簡(jiǎn)單排序。本演示板的工作條件為：輸入電壓 (V{IN}) 為 6V 至 24V，輸出電壓 (V{OUT}) 為 2.5V，輸出電流范圍 (I{OUT}) 為 0A 至 3A，開(kāi)關(guān)頻率 (f{SW}) 為 250kHz。

二、物料清單（BOM）分析

演示板的物料清單涵蓋了多種元器件，包括穩(wěn)壓芯片、電感、電容、電阻和二極管等。其中：

• U1（LM2696）：作為核心的 3A 常通時(shí)間調(diào)節(jié)器，采用 HTSSOP - 16 封裝。
• L（MSS1260 - 682MX）：電感值為 6.8μH，飽和電流為 4.9A，型號(hào)為 MSS1260 封裝。
• 電容：多種不同容值和封裝的電容用于不同的功能，如輸入電容 (C{IN}) 為 180μF、35V；旁路電容 (C{BY}) 為 0.1μF 等。

通過(guò)合理選擇這些元器件，可以優(yōu)化電路性能。那么，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，如何根據(jù)具體需求選擇合適的元器件呢？這需要我們綜合考慮電路的各項(xiàng)參數(shù)和性能要求。

三、性能評(píng)估

從評(píng)估板獲取的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng) (V_{IN}) 為 12V 時(shí)，可以對(duì)效率進(jìn)行測(cè)量。評(píng)估板的一大優(yōu)勢(shì)在于能夠通過(guò)替換部分元器件來(lái)研究性能權(quán)衡。例如，電感的封裝設(shè)計(jì)可兼容 DO - 3316 和 MSS - 1278 封裝，具體的電感選擇取決于設(shè)計(jì)約束條件。那么，不同的電感選擇會(huì)對(duì)電路性能產(chǎn)生哪些具體影響呢？這值得我們深入研究。

四、關(guān)鍵參數(shù)選擇

1. 頻率選擇

連接到 (R{ON}) 引腳的電阻用于設(shè)置 LM2696 的開(kāi)關(guān)頻率。該電阻控制流入 (R{ON}) 引腳的電流，與導(dǎo)通時(shí)間脈沖直接相關(guān)。將該引腳連接到 (PV{IN}) 可使開(kāi)關(guān)頻率在輸入電壓變化時(shí)保持恒定。在正常工作時(shí)，該引腳電壓比地高約 0.65V；關(guān)機(jī)時(shí)，該引腳變?yōu)楦咦杩构?jié)點(diǎn)以防止電流流動(dòng)。其計(jì)算公式為： [R{ON}=frac{left(V{IN}-V{D}right) times V{OUT }}{k{ON} times f{SW} times V{IN}} times 10^{6}] 對(duì)于本演示板，計(jì)算得出 (R_{ON}) 為 143kΩ。

2. 電感選擇

通常，選擇電感時(shí)應(yīng)使最大峰 - 峰紋波電流小于最大負(fù)載電流的 30%。電感電流紋波 (Delta I{L}) 可表示為： [Delta I{L}=frac{left(V{IN}-V{OUT }right) cdot D}{L cdot f_{SW}}] 本演示板中電感計(jì)算值為 6.8μH，也可選擇標(biāo)準(zhǔn)值 10μH。同時(shí)，還需考慮電感的飽和電流、核心材料、屏蔽和物理方向等因素。那么，電感的物理方向?qū)﹄娐贩€(wěn)定性的具體影響機(jī)制是什么呢？這是一個(gè)值得深入思考的問(wèn)題。

3. 輸出電容選擇

輸出電容的大小和等效串聯(lián)電阻（ESR）直接影響環(huán)路的穩(wěn)定性。因?yàn)槌Ｍ〞r(shí)間控制方案通過(guò)檢測(cè)輸出電壓紋波并進(jìn)行適當(dāng)切換來(lái)工作。反饋引腳所需的紋波電壓可通過(guò)公式 (Delta V{FB} geq 0.057 times f{sw}+35) 估算。對(duì)于本演示板，反饋引腳所需紋波電壓為 21mV，輸出紋波為 42mV，輸出電容的 ESR 不應(yīng)小于 36mΩ。通常，使用 POSCAPs、SP CAPs、鉭電容、氧化鈮電容等可獲得最佳性能。那么，不同類型的輸出電容在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)分別是什么呢？

4. 紋波前饋

使用 RC 網(wǎng)絡(luò)可以消除對(duì)高 ESR 電容的需求。通過(guò)合理選擇 (R{ff}) 和 (C{ff}) 的值，可以減少輸出電壓偏移誤差。對(duì)于本演示板，若使用陶瓷輸出電容，可選擇 (C_{ff}) 為 270pF 的標(biāo)準(zhǔn)值。那么，RC 網(wǎng)絡(luò)在不同電路中的適應(yīng)性如何呢？

5. 反饋電阻選擇

為了降低反饋引腳的噪聲，(R{FB2}) 通常約為 1kΩ。(R{FB1}) 的值可通過(guò)公式 (R{FB1}=R{FB2}left(frac{V{OUT}}{V{FB}} - 1right)) 計(jì)算。本演示板中 (R{FB1}) 和 (R{FB2}) 均選擇為 1kΩ。

6. 軟啟動(dòng)電容選擇

軟啟動(dòng)電容用于將參考電壓從 0V 緩慢升至最終值 1.25V。啟動(dòng)時(shí)間可通過(guò)公式 (t{SS}=frac{1.25V times C{SS}}{I_{SS}} times 10^{3}) 計(jì)算。本演示板選擇軟啟動(dòng)時(shí)間約為 12.5ms 的電容值。

五、關(guān)機(jī)與布局指南

1. 關(guān)機(jī)

關(guān)機(jī)引腳的狀態(tài)可使器件啟用或進(jìn)入睡眠狀態(tài)。該引腳有內(nèi)部上拉電阻，可懸空或連接到高邏輯電平；連接到地則關(guān)閉器件。同時(shí)，需用 1nF 陶瓷電容旁路該引腳以確保正確的邏輯閾值。

2. 布局指南

良好的 DC - DC 轉(zhuǎn)換器布局對(duì)于電路性能至關(guān)重要。具體要點(diǎn)包括：

• 功率元件（續(xù)流二極管、電感和濾波電容）應(yīng)緊密放置，它們之間的走線應(yīng)盡可能短而寬。
• 功率元件與 DC - DC 轉(zhuǎn)換器電路之間的電源線應(yīng)使用寬走線。
• 輸入和輸出濾波電容以及續(xù)流二極管的接地引腳應(yīng)盡可能靠近連接，并通過(guò)過(guò)孔連接到接地層。
• 功率元件應(yīng)排列成使開(kāi)關(guān)環(huán)路朝同一方向卷曲。
• 應(yīng)將對(duì)噪聲敏感的走線（如電壓反饋路徑）與功率元件相關(guān)的噪聲走線分開(kāi)。
• 確保轉(zhuǎn)換器 IC 有低阻抗接地。
• 轉(zhuǎn)換器 IC 的支持元件（包括頻率選擇元件）應(yīng)盡可能靠近轉(zhuǎn)換器 IC 放置，但要遠(yuǎn)離噪聲走線和功率元件，并使其與轉(zhuǎn)換器 IC 及其偽接地層的連接盡可能短。
• 應(yīng)將對(duì)噪聲敏感的電路（如無(wú)線電或調(diào)制解調(diào)器模塊）遠(yuǎn)離 DC - DC 轉(zhuǎn)換器。

六、替代應(yīng)用電路

文檔還給出了一個(gè) 5V 至 2.5V 電壓應(yīng)用的替代電路，其物料清單與原演示板有所不同。這為不同的應(yīng)用場(chǎng)景提供了更多的選擇。那么，在什么情況下我們應(yīng)該選擇替代應(yīng)用電路呢？

通過(guò)對(duì)基于 LM2696 的演示板的詳細(xì)分析，我們可以看到，在電源設(shè)計(jì)中，每一個(gè)元器件的選擇和布局都對(duì)電路性能有著重要的影響。作為電子工程師，我們需要深入理解各個(gè)參數(shù)的含義和計(jì)算方法，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，做出最優(yōu)的設(shè)計(jì)決策。希望本文能對(duì)大家在電源設(shè)計(jì)方面有所幫助。你在實(shí)際設(shè)計(jì)中遇到過(guò)哪些與 LM2696 相關(guān)的問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享。