深入解析LM22670評估板反相拓撲設計

在電子工程領域，DC/DC轉換器的設計至關重要，而TI的LM22670評估板反相拓撲設計為我們提供了一個優(yōu)秀的范例。下面，我們就來詳細探討一下這個評估板的相關內容。

文件下載：LM22670INVEVAL.pdf

評估板概述

LM22670反相評估板旨在展示LM22670開關穩(wěn)壓器在極性反相拓撲中的性能。它能在6V至35V的輸入電壓范圍內，提供高達1.5A負載電流的 -5V輸出，典型工作頻率為500kHz，設計可在最高50°C的環(huán)境溫度下運行。

評估板具有以下性能參數(shù)：

• 輸入范圍：6V至35V，標稱值12V
• 輸出電壓： -5V
• 輸出電流范圍：0A至1.5A
• 工作頻率：500kHz
• 板尺寸：1.5 X 1.65英寸
• 封裝：PSOP - 8

評估板還設有測試點，便于連接和監(jiān)測關鍵信號，并且可以重新配置以實現(xiàn)不同的負載電流和輸出電壓。

工作原理

極性反相轉換器利用電感L1在導通期間存儲能量，在關斷期間通過二極管D1將能量傳輸?shù)捷敵龆?。當開關導通時，二極管反向偏置，電感電流線性上升；開關關斷時，電感極性反轉以維持峰值開關電流，此時二極管D1正向偏置，電感存儲的能量傳輸?shù)截撦d和輸出電容C4。由于開關節(jié)點相對于地為負，輸出電容（C4和C5）兩端的輸出電壓變?yōu)樨?。這種反相轉換器可以升壓和降壓輸入電壓的幅度，屬于降壓 - 升壓轉換器，但輸出電壓相對于地始終為負。

設計考慮因素

拓撲設計

該反相拓撲設計可用于LM2267X SIMPLE SWITCHER?系列的任何成員。LM22670的接地引腳（GND）連接到負輸出VOUT，反饋電阻分壓器參考GND，無需額外的電平轉換和反饋信號反轉來調節(jié)負輸出電壓。對于固定電壓版本的LM22670，將反饋引腳直接連接到系統(tǒng)地也可實現(xiàn)反相拓撲應用。

穩(wěn)定性問題

極性反相拓撲在控制到輸出傳遞函數(shù)中有一個右半平面零點，難以穩(wěn)定。為此，連接了兩個補償電容C6和C7從輸入到負輸出，以提供更多的相位裕度并穩(wěn)定環(huán)路。當輸出電流小于100mA時，轉換器可在不連續(xù)電流傳導模式（DCM）下運行，此時不需要C6和C7。初始施加電壓時，電容充電電流會導致輸出出現(xiàn)正電壓尖峰，其幅度取決于電容的ESR值，通常小于500mV。若電感直流電阻為2Ω或更大且初始啟動電流高，正電壓尖峰可能高于500mV，可使用額外的鉗位二極管D2將其鉗位到約300mV。

元件選擇

電感選擇

電感的選擇需要計算占空比D，公式為： [D=frac{I V{OUT } I+V{D}}{V{IN}+IV{OUT } I+V{D}-V{O}}] 其中，(V{D})是D1二極管的電壓降，(V{O})是LM22670內部功率NFET的電壓降。平均電感電流(I{L})與負載電流(I{OUT})的關系為： [I{L}=frac{I{OUT}}{1 - D}] 推薦選擇電感紋波電流(Delta I{L})約為平均電感電流(I{L})的30%，以確保調節(jié)器在連續(xù)電流傳導模式（CCM）下運行，應用電路具有較小的負載瞬態(tài)響應和可接受的輸出電壓紋波。所需電感值L的計算公式為： [L=frac{V{IN} × D}{F × Delta I{L}}] 電感的RMS電流額定值應等于或大于最大電流限制(I_{CL})，以避免電感飽和。

IC器件額定值

DC/DC極性反相轉換器需要考慮峰值開關電流(I{PEAK})和最大輸入電壓(V{INMAX})。峰值開關電流計算公式為： [I{PEAK}=I{L}+frac{Delta I{L}}{2}] 最大輸入電壓額定值為： [V{INMAX}=V{IN}+left|V{OUT}right|] 最大負載電流(I{OUT(MAX)})取決于占空比D和電感值L，計算公式為： [I{OUT(MAX)}=left(I{CLMIN}-frac{V{IN} × D}{2 × F × L}right) times(1 - D)]

二極管額定值

二極管D1需要滿足最大電流額定值(I{DMAX}=I{PEAK})和最大電壓額定值(V{DMAX}=V{IN}+left|V_{OUT}right|)。推薦使用具有低正向電壓額定值的肖特基二極管，以實現(xiàn)高轉換器效率和低EMI。

輸出電容選擇

輸出電容主要選擇低ESR值的電容，同時其電容值必須能夠在開關導通時提供最大負載電流。所需ESR值計算公式為： [ESR=frac{Delta V{OUT}}{I{PEAK}}] 最小輸出電容值(C{OUTMIN})的計算公式為： [C{OUTMIN}=frac{I{OUT} × D}{F × Delta V{OUT}}]

輸入電容選擇

輸入電容應基于其低ESR值和高RMS電流額定值進行選擇，以支持應用輸入的高電流變化。推薦在開關穩(wěn)壓器輸入引腳附近使用低ESR旁路電容，較大ESR的輸入電容可用于輸入濾波，以減少電源線上的電感沖擊，并使輸入濾波拐角頻率遠離開關穩(wěn)壓器的帶寬。

同步和可調頻率

使用同步功能時，需要施加一個相對于LM22670接地引腳GND的同步電壓，該電壓在反相拓撲中與負輸出電壓具有相同的電位?？赡苄枰獙ν矫}沖進行一些電平轉換，以確保在RT/SYNC引腳的絕對最大額定值范圍內。通過將電阻從RT/SYNC引腳連接到LM22670 GND引腳，可以將開關頻率調整為高于或低于500kHz。

精確使能

當EN引腳被拉低時，LM22670可以關閉。在反相拓撲中，這意味著EN引腳被拉到接近GND引腳電壓（即負輸出電壓）。如果施加外部信號，必須注意確保EN引腳的電壓不高于LM22670數(shù)據(jù)手冊中相對于GND引腳的絕對最大允許電壓。由于在反相應用中LM22670的GND引腳變?yōu)樨撦敵鲭妷?，使用EN引腳時可能需要進行電平轉換。如果在應用中不使用EN引腳，可以將其懸空。

PCB布局指南

LM22670開關穩(wěn)壓器在極性反相拓撲中的PCB布局非常重要。輸入電容應盡可能靠近開關穩(wěn)壓器的輸入引腳放置，開關穩(wěn)壓器需要正確接地，推薦使用單獨的接地平面和單點接地結構。特別是在負載電流高于1A時，走線布局和元件放置至關重要，否則高開關電流會導致故障。寄生走線電感通常是輸入和輸出線上高電壓尖峰以及EMI問題的主要原因。

穩(wěn)定性考慮

極性反相（降壓 - 升壓）轉換器的電流流動較為復雜，AC電流在短時間內變化，需要將相關走線盡可能縮短，以減小環(huán)路電感。在敏感應用中，即使使用低ESR輸入和輸出濾波電容，輸入和輸出電壓尖峰可能仍然不可接受，此時應考慮使用額外的輸入和輸出L/C濾波器。

脈沖寬度調制開關模式DC/DC轉換器的設計需要在所有工作條件下保持穩(wěn)定。電感、輸出電容（包括ESR）以及補償電容C6和C7的值會影響開關穩(wěn)壓器環(huán)路的穩(wěn)定性。可以通過觀察LM22670的SW引腳開關電壓波形以及進行脈動負載測試或負載瞬態(tài)響應測試來驗證穩(wěn)定性。如果開關穩(wěn)壓器在測試中出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，應相應地更改輸出電容和/或補償電容C6和C7的值。

總之，LM22670評估板反相拓撲設計為電子工程師提供了一個全面的解決方案，但在實際設計中，我們需要綜合考慮各個因素，以確保設計的穩(wěn)定性和性能。你在實際設計中是否遇到過類似的問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。