深入剖析LM27402降壓控制器評估模塊

在電子工程領域，DC/DC 轉換器的設計與優(yōu)化是一項關鍵且具有挑戰(zhàn)性的任務。今天，我們將聚焦于德州儀器（Texas Instruments）的 LM27402 降壓控制器評估模塊，深入探討其特性、應用及關鍵組件的選擇。

文件下載：LM27402SQEVAL/NOPB.pdf

一、LM27402簡介

LM27402 是一款功能豐富的同步單相 PWM DC/DC 降壓控制器，具有諸多出色特性。它的輸入電壓范圍寬達 3V 至 20V，還具備輸入電壓前饋功能。雙高電流集成 N 溝道 MOSFET 驅動器使其非常適合用于負載點應用中的高電流中間總線系統(tǒng)軌。其內部 0.6V ±1%的電壓參考能確保輸出具有高精度和低電壓能力。此外，電感 DCR 電流檢測不僅能提供準確的電流限制檢測方法，還能通過消除電阻式電流檢測元件來提高輸出電流和系統(tǒng)效率。

二、評估板特點

2.1 典型應用電路

該評估板代表了一個 20A 的典型應用電路，電路針對 12V 輸入電壓進行了優(yōu)化。不過，得益于輸入電壓前饋技術，評估板在輸入電壓高達 20V 時，仍能在 20A 負載下保持 1.5V 的穩(wěn)定輸出電壓。

2.2 其他特性

• 電流限制電路：采用溫度補償電感 DCR 電流限制電路，可提供穩(wěn)定的電流限制設定點。
• 靈活擴展：預留了額外的 MOSFET 和輸入/輸出電容焊盤，便于在需要時支持更高的電流。
• 軟啟動功能：外部設定的 10ms 軟啟動時間，可實現(xiàn)可控的單調啟動。
• 預偏置啟動和跟蹤：支持預偏置啟動，并提供跟蹤連接，用于電源排序。
• 頻率調整：可通過板載同步連接施加外部時鐘來更改開關頻率。
• 監(jiān)測與分析：PGOOD 信號外部上拉至 VDD，可通過板載端子進行監(jiān)測。還設有兩個額外的端子，用于連接網(wǎng)絡分析儀，進行控制環(huán)路穩(wěn)定性分析。

三、評估板操作規(guī)格

評估板的輸入電壓范圍為 4.5V 至 20V，輸出電壓固定為 1.5V，輸出電流范圍是 0A 至 20A。在設計和使用時，我們需要嚴格遵循這些規(guī)格，以確保評估板的正常運行。大家在實際操作中，有沒有遇到過因為電壓或電流超出規(guī)格而導致的問題呢？

四、連接說明

4.1 電源連接

• VIN：輸入電壓端子，可使用 ? 英寸香蕉插頭或環(huán)形連接器。LM27402 可在 3.0V 至 20V 的輸入電壓范圍內工作，但評估板針對 12V 輸入進行了優(yōu)化，實際工作范圍為 4.5V 至 12V，該引腳的絕對最大電壓額定值為 22V。
• GND IN：輸入接地端子，同樣可使用 ? 英寸香蕉插頭或環(huán)形連接器，僅用于輸入電源接地。
• VOUT：輸出電壓端子，連接負載時應使用低阻抗線路，以減少線路壓降。
• GND OUT：輸出接地端子，僅用于輸出負載接地。

4.2 其他連接

• VDD：內部 4.5V 子穩(wěn)壓器的輸出。
• PGD：PGOOD 輸出，用于在故障條件下監(jiān)測 PGOOD 信號，正常工作時不應超過 5.5V，絕對最大電壓額定值為 6V。
• EN：連接到 LM27402 的 EN 引腳，通常大于 1.17V 的電壓可使 IC 啟用，具有 100mV 的滯回以提供抗噪能力。若未施加控制信號，LM27402 會通過 2μA 內部電流源自動啟用。
• SS/TK：連接到 LM27402 的 SS/TRACK 引腳，在大多數(shù)應用中無需連接。若由外部電壓源驅動且電壓低于 0.6V 內部參考電壓，LM27402 的反饋引腳將跟蹤該電壓。
• SYNC：連接到 LM27402 的 SYNC 引腳，可施加外部時鐘信號來設置開關頻率。若沒有 SYNC 信號，開關頻率將恢復到由 FADJ 電阻設置的頻率。
• RX 和 TX：用于連接網(wǎng)絡分析儀測量環(huán)路響應，兩者之間存在一個 50Ω 終端電阻。

五、性能特性

5.1 效率與負載

從效率與負載的關系圖中可以看出，在不同的輸入電壓下，效率隨負載電流的變化情況。這對于我們評估評估板在不同負載條件下的性能非常有幫助。

5.2 電壓調節(jié)

• 線電壓調節(jié)：反映了輸入電壓變化時輸出電壓的穩(wěn)定性。
• 負載調節(jié)：在輸入電壓為 12V 時，輸出電壓隨負載電流變化的情況。

  5.3 負載瞬態(tài)響應

  展示了評估板在負載電流快速變化時的輸出電壓響應，這對于一些對電壓穩(wěn)定性要求較高的應用尤為重要。

六、評估板組件選擇

6.1 輸入濾波器

為防止開關噪聲干擾連接到 VIN 的內部模擬電路，添加了 RC 濾波器，由 (R{in}) 和 (C{in}) 組成。評估板中使用了 2.2Ω 電阻和 1.0μF 25V X5R 陶瓷電容器。

6.2 輸入電容器

輸入電容器的選擇基于所需的輸入電壓紋波和最大 RMS 電流額定值。通過公式計算可知，在 20A 滿載電流和 50%占空比下，最大 (I{CIN(RMS)}) 為 10A。評估板選用了五個 22μF X5R 25V 陶瓷電容器，在 12V VIN 和 20A (I{out}) 時，輸入電壓紋波為 66mV。若需要，還可在 (C{in6}) 和 (C{in7}) 焊盤添加額外的電容器。

6.3 電感器

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊建議，電感器值應使峰峰值紋波電流為最大工作輸出電流的 20%至 40%。評估板選擇了 30%的電流紋波，計算得出最小電感為 0.73μH。實際選用了 Vishay IHLP5050 0.68μH 電感器，其峰峰值電流紋波為 6.4A，在效率、尺寸和飽和電流額定值方面達到了平衡。

6.4 輸出電容器

輸出電容器的值會影響穩(wěn)態(tài)電壓紋波和負載瞬態(tài)響應。評估板選用了四個 100μF 6.3V X5R 陶瓷電容器，在 12V VIN 時，峰峰值電壓紋波為 12mV。

6.5 軟啟動電容器

軟啟動電容器可控制 LM27402 的啟動時間。評估板設計的軟啟動時間約為 10ms，對應的 (C{ss}) 電容器值為 47nF。若不使用 (C{ss})，LM27402 默認的啟動斜坡時間為 1.28ms。

6.6 內部 LDO 旁路電容器

(C_{dd}) 電容器用于旁路內部 4.5V 子穩(wěn)壓器，其值應在 1μF 至 10μF 之間，評估板使用了 1μF 的電容器。

6.7 頻率調整電阻

LM27402 的開關頻率可通過外部電阻 (R{f}) 在 200kHz 至 1.2MHz 之間調整。評估板選擇了 300kHz 的開關頻率，對應的 (R{f}) 電阻值為 45.7kΩ。

6.8 電流限制電路

評估板的電流限制電路將電流限制設置為 24A。(R{s}) 和 (C{s}) 組成的 RC 濾波器時間常數(shù)應與電感器的電感和 DCR 時間常數(shù)匹配。同時，通過電阻設置電流限制水平，并使用正溫度系數(shù)電阻 (R_{tc}) 補償銅電阻的影響。

6.9 啟用電阻

評估板配備了與 EN 引腳直接相連的啟用連接，(R{en1}) 和 (R{en2}) 提供了一個可選的分壓器網(wǎng)絡，用于在特定輸入電壓下啟用 LM27402。

6.10 跟蹤功能

評估板設有跟蹤連接（SS/TK），該端子也是軟啟動引腳。若連接電壓源，輸出可控制至 1.5V，當 SS/TK 電壓超過 0.6V 時，跟蹤停止。

6.11 補償和反饋

為使 LM27402 正常調節(jié)，需要閉合并補償反饋環(huán)路。評估板采用了 III 型補償，添加了三個極點和兩個零點到開環(huán)傳遞函數(shù)中，以確保穩(wěn)定性。

6.12 (R{fb1}) 和 (R{fb2})

這兩個電阻構成了從 (V{out}) 到 FB 和 FB 到 GND 的分壓器，用于設置調節(jié)器的標稱輸出電壓。評估板默認輸出電壓為 1.5V，若需要不同的輸出電壓，可根據(jù)公式調整 (R{fb2}) 的值。

七、物料清單

文檔中詳細列出了評估板的物料清單，包括各個組件的型號、參數(shù)、數(shù)量和制造商等信息，這為我們進行組件采購和替換提供了重要參考。

八、PCB 組件布局

合理的 PCB 組件布局對于評估板的性能至關重要。文檔中給出了評估板的 PCB 布局圖，包括頂層、中間層和底層的布局，我們可以從中學習到如何進行組件的合理布局，以減少干擾和提高性能。

通過對 LM27402 降壓控制器評估模塊的全面剖析，我們對其特性、應用和組件選擇有了更深入的了解。在實際設計中，我們可以根據(jù)具體需求對評估板進行適當?shù)男薷暮蛢?yōu)化。大家在使用類似評估模塊時，有沒有什么獨特的經(jīng)驗或技巧呢？歡迎在評論區(qū)分享。