深入解析LM2854 500 kHz降壓調節(jié)器評估板

在電子設計領域，電源管理是一個至關重要的環(huán)節(jié)。今天，我們將深入探討德州儀器（Texas Instruments）的LM2854 500 kHz降壓調節(jié)器評估板，了解其特性、組件選擇以及性能表現(xiàn)。

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一、LM2854評估板簡介

LM2854 PowerWise? SIMPLE SWITCHER?降壓調節(jié)器評估板是一款500 kHz的降壓電壓調節(jié)器，能夠驅動0A至4A的負載電流，并且具有出色的功率轉換效率。它的輸入電壓范圍為2.95V至5.5V，可提供固定且高精度的1.2V輸出電壓。通過修改一個反饋電阻的值，還可以改變輸出電壓水平。此外，該評估板采用外部軟啟動電容，實現(xiàn)了可控、明確且單調的啟動輸出電壓特性，并且能夠在預偏置負載下實現(xiàn)無毛刺的單調啟動。

二、LM2854引腳說明

1. 引腳布局

LM2854采用HTSSOP - 16封裝，其引腳布局如圖2所示。每個引腳都有特定的功能，下面為大家詳細介紹。

2. 引腳描述

三、LM2854評估板原理圖及物料清單

1. 原理圖

評估板的原理圖如圖3所示，它清晰地展示了各個組件之間的連接關系。

2. 物料清單

四、評估板快速操作步驟

1. 設置電源：將電源電流限制設置為3A，關閉電源，然后將電源連接到VIN和GND端子。
2. 連接負載：將具有4A能力的負載連接到VOUT和GND端子。
3. 使能端子：由于板上有上拉電阻，EN端子可保持開路以進行正常操作。
4. 空載測試：在無負載的情況下，將VIN設置為3.0V，VOUT應穩(wěn)定在標稱1.2V輸出。
5. 負載測試：緩慢增加負載，同時監(jiān)測輸出電壓。當負載增加到4A時，VOUT應保持在標稱1.2V輸出。
6. 輸入電壓掃描：將輸入電壓從2.95V緩慢掃描到5.5V，VOUT應保持在標稱1.2V輸出。
7. 關機測試：暫時將EN端子短路到GND以檢查關機功能。
8. 過流保護測試：增加負載超過正常范圍以檢查電流限制。輸出電流應限制在約5.6A。短路VOUT和GND端子以驗證短路保護功能。

五、組件選擇

1. 濾波電感（Lf）

濾波電感的選擇對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸出電壓特性有重要影響。根據公式 (Lf=frac{V{OUT }(1 - D)}{Delta i{L} f{SW}}) （其中D為占空比），在輸入電壓范圍為2.95V至5.5V的情況下，選擇1.5μH的電感可以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。電感的飽和電流應高于4.63A，以防止在正常工作條件下電感飽和。較小的電感值可以使控制回路更快地調整電感電流。評估板采用了Vishay IHLP2525系列1.5μH電感，它在較小的尺寸和外形下提供了必要的電流處理能力和低直流電阻。

2. 輸出電容（Co1）

輸出電容及其等效串聯(lián)電阻（ESR）會影響輸出紋波電壓和環(huán)路的整體穩(wěn)定性。輸出電容為電感紋波電流提供低阻抗路徑，并為瞬態(tài)負載條件提供電荷源。評估板選擇了一個100μF的1210多層陶瓷電容器（MLCC），其在500 kHz時的ESR為3mΩ，在1.2V時電容約降低40%。通過測量輸出紋波電壓和電路的頻率響應可以驗證這一點。對于LM2854，由于環(huán)路交叉頻率可以設置得足夠大以適應高di/dt負載瞬變，因此通常不需要額外的輸出大容量電容。

3. 輸入濾波器

輸入電容的必要RMS電流額定值可以通過公式 (I{in(RMS)} = I{OUT } sqrt{D(1 - D)}) 估算。在全4A負載電流且系統(tǒng)工作在50%占空比時，RMS電流最大。在指定輸出電壓下，最壞情況發(fā)生在最小輸入電壓2.95V時，此時占空比為0.41，最大RMS電流為1.97A。陶瓷電容具有小尺寸和大RMS電流額定值的特點，適合作為輸入電容。評估板選擇了一個47μF 10V的陶瓷電容，并假設電容電壓系數為50%，忽略ESR時，輸入交流紋波幅度為80mV。在接近最小輸入電壓時，電解輸入電容有助于抑制輸入紋波。評估板上還提供了第二個輸入電容Cin2，采用了Sanyo的6TPE150MIC2，其電容為150μF，ESR為18mΩ。此外，在AVIN引腳附近放置了一個0603 1μF的陶瓷AVIN濾波電容，并與一個1Ω的串聯(lián)電阻（可選）一起使用，以過濾電源軌上的高頻噪聲尖峰，防止這些脈沖干擾芯片的模擬控制電路。

4. 軟啟動電容

選擇10nF的軟啟動電容可以提供大約4ms的軟啟動時間，使LM2854能夠在任何工作條件下平穩(wěn)啟動，而不會觸發(fā)過流保護。

5. 跟蹤電阻

如果需要對外部電源電壓進行同步（等電壓斜坡率）或比例（等軟啟動時間）跟蹤，可以移除軟啟動電容并更換為適當值的下跟蹤電阻。上跟蹤電阻Rtrk為10kΩ，下跟蹤電阻Rtrk1的值根據跟蹤方式的不同而有所不同。

6. 使能電阻

LM2854的使能引腳有一個板載100kΩ的上拉電阻Ren1。因此，如果需要，EN端子可以保持開路。也可以通過使用電阻Ren1和Ren2設置一個電阻分壓器來配置使能功能，以提高輸入UVLO電平。評估板上Ren2未組裝。

7. 反饋和補償組件

電壓環(huán)路交叉頻率 (f{loop}) 通常選擇在開關頻率的十分之一到五分之一之間。對于LC輸出濾波器的復雙極點和輸出電容ESR引起的零點，可以通過相應的公式計算。對于III型電壓模式控制，所需的外部補償電容 (C{COMP}) 可以通過簡單的公式表示。評估板上選擇Rfb1為249kΩ，Rc1為1kΩ，Rfb2根據所需的輸出電壓選擇為499kΩ。需要注意的是，從交流角度來看，Rfb2對控制回路沒有影響，因為FB引腳是運算放大器型誤差放大器的輸入，在交流下相當于接地。因此，控制回路的設計可以不考慮輸出電壓水平，但需要注意輸出電容在施加電壓時的必要降額。

六、性能特性

補償方案經過優(yōu)化，可在整個輸入電壓范圍內工作。對于許多具有固定輸入電壓軌的應用，可以通過修改補償來獲得更快的瞬態(tài)響應。評估板的效率、瞬態(tài)響應、啟動特性以及通過使能引腳的開關特性等性能指標如圖4 - 8所示。

七、PC板布局

評估板基于一個2.0” x 1.2” x 0.062”（51 mm x 31 mm x 1.6 mm）的FR4層壓PCB，具有兩層兩盎司銅。布局設計遵循了合理的布局準則和技術，盡可能減少了電路板空間。輸入電容Cin1盡可能靠近PVIN和PGND引腳放置，以最小化Cin1和LM2854之間的雜散電阻和電感。AVIN旁路電容也盡可能靠近AVIN和AGND引腳放置。PGND和AGND在LM2854的暴露焊盤處單點連接到接地平面。為了將熱量傳導到接地平面并遠離LM2854，使用了一個3 x 3的過孔陣列將暴露焊盤與接地平面進行電氣和熱連接。此外，在三個PGND引腳附近和從暴露焊盤延伸的局部接地平面中還設置了額外的接地平面過孔。最后，F(xiàn)B引腳的走線盡可能短，并遠離SW節(jié)點，以最小化EMI拾取。

八、總結

LM2854 500 kHz降壓調節(jié)器評估板是一款性能出色的電源管理解決方案，具有高效、穩(wěn)定、靈活等特點。通過合理的組件選擇和精心的PCB布局，它能夠滿足各種應用的需求。電子工程師在設計電源管理電路時，可以參考本文的內容，充分發(fā)揮LM2854的優(yōu)勢，實現(xiàn)優(yōu)秀的電源設計。大家在實際應用中是否遇到過類似的電源管理問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和見解。