深入解析LM20125評估板：設計要點與性能分析

在電子設計領域，開關穩(wěn)壓器是電源管理的核心組件之一。今天我們要深入探討的是德州儀器（TI）的LM20125評估板，它為工程師提供了一個便捷的平臺來評估LM20125同步降壓穩(wěn)壓器的性能。

文件下載：LM20125EVAL.pdf

一、LM20125簡介

LM20125是一款功能完備的降壓開關穩(wěn)壓器，能夠驅(qū)動高達5A的負載電流。其標稱500kHz的開關頻率在減小功率級組件尺寸的同時，還能實現(xiàn)高效運行。該穩(wěn)壓器可將2.95V至5.5V的輸入電壓轉換為低至0.8V的輸出電壓，具備逐周期電流限制、輸出電源良好指示和輸出過壓保護等故障保護功能。此外，雙功能軟啟動/跟蹤引腳可控制啟動響應，精密使能引腳便于在有排序要求的應用中對其進行排序。LM20125采用16引腳HTSSOP封裝，并帶有外露焊盤以增強熱性能。

二、評估板設計特點

尺寸與布局

評估板設計兼顧了整體解決方案尺寸和穩(wěn)壓器效率。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。

電壓設置

評估板的輸入電壓優(yōu)化為5V，但測試時可在整個工作范圍內(nèi)變化。輸出電壓標稱值為1.2V，通過更換反饋電阻（ (R{FB 1}) 或 (R{FB 2}) ）可輕松改變輸出電壓。

控制環(huán)路補償

評估板的控制環(huán)路補償設計旨在在整個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。要啟動開關，板上的EN引腳電壓必須高于1.18V（典型值）。若不需要EN功能，可將EN引腳外部連接到 (V_{IN}) 。

三、物料清單

四、連接說明

輸入電壓（VIN）

該終端是設備的輸入電壓，設備可在2.95V至5.5V的輸入電壓范圍內(nèi)工作，此引腳的絕對最大電壓額定值為6V。

接地（GND）

這是設備的接地連接，PCB上有兩個不同的GND連接，一個用于輸入電源，另一個用于負載。

輸出電壓（VOUT）

該終端連接到電源的輸出電壓，并應連接到負載。

使能（EN）

此終端連接到設備的使能引腳，應連接到 (V_{IN}) 或外部驅(qū)動。若外部驅(qū)動，電壓通常大于1.18V時將使能設備，該引腳的工作電壓不應超過5.5V，絕對最大電壓額定值為6V。

軟啟動/跟蹤（SS/TRACK）

該終端可訪問設備的SS/TRK引腳，大多數(shù)應用中不需要連接此終端。若用外部電壓源驅(qū)動且電壓低于0.8V參考電壓，設備的反饋引腳將跟蹤SS/TRK引腳上的電壓，正常運行時該引腳電壓不應超過5.5V，絕對最大電壓額定值為6V。

電源良好（PGOOD）

此終端連接到設備的電源良好輸出，該引腳到輸入電壓有一個10 kΩ上拉電阻，正常運行時該引腳電壓不應超過5.5V，絕對最大電壓額定值為6V。

五、組件選擇

輸入電容

輸入電容的所需RMS電流額定值可通過公式 (I{C I N (RMS)}=I{OUT } sqrt{D(1-D)}) 估算，其中 (D=frac{V{OUT }}{V{IN}}) 。在5A滿載電流且系統(tǒng)以50%占空比運行時， (I{CIN(RMS)}) 需求最大。評估板選用了村田的100 μF X5R陶瓷電容，其 (I{RMS}) 額定值為5.4A，為評估板提供了必要的輸入電容。為改善旁路效果，還并聯(lián)了一個1 μF的高頻電容來過濾電源上的高頻噪聲脈沖。

AV IN濾波器

為防止 (PV IN) 上的開關噪聲干擾連接到 (AV IN) 的內(nèi)部模擬電路，添加了一個RC濾波器（ (R{F}) 和 (C{F}) ）。考慮到 (AV IN) 引腳在啟動時會有60mA的短脈沖電流， (R{F}) 不能太大，否則可能觸發(fā)UVLO比較器。評估板使用1Ω電阻作為 (R{F}) ，與1uF的 (C_{F}) 電容配合，在1 MHz開關頻率下可提供約16dB的衰減。

電感器

根據(jù)器件數(shù)據(jù)手冊建議，電感值應使峰峰值紋波電流約為最大輸出電流的30%。通過公式 ((V{IN} - V{OUT}) times D / L times f{SW} = Delta I{P - P}) 計算，對于 (V{IN}=5V) 、 (V{OUT }=1.2V) 、 (f{s w}=500 kHz) 和 (I{OUT }=5A) 的應用，標稱電感值約為1.22 uH。為減小電感尺寸和直流電阻，最終選擇1 μH的電感，在5V和3.3V輸入時，峰峰值紋波電流分別為1.8A和2.24A。評估板選用了Coilcraft的MSS1038-102NL電感，在效率（6 mΩ DCR）、尺寸和飽和電流額定值（9A (I_{SAT}) 額定值）之間取得了良好平衡。若提高評估板的輸出電壓，可能會在5A輸出時達到電流限制，此時應增加電感值以降低紋波電流。

輸出電容

輸出電容的值會影響輸出電壓的紋波以及負載瞬態(tài)時的大信號輸出電壓響應。輸出電壓紋波可通過公式 (Delta V{OUT }=Delta I{P - P } timesleft[R{ESR}+frac{1}{8 × f{SW} × C_{OUT }}right]) 近似計算。評估板選用了村田的100 μF陶瓷電容作為輸出電容，其ESR約為2 mΩ，由于1.2V直流偏置，有效電路電容約為55 μF。在5V輸入下，輸出的峰峰值電壓紋波可計算為12 mV。

軟啟動電容（ (C_{SS}) ）

軟啟動電容可控制LM20125電壓穩(wěn)壓器的啟動時間，啟動時間可通過公式 (t{S S}=frac{0.8 V × C{S S}}{I{S S}}) 估算。對于LM20125， (I{SS}) 標稱值為5 μA。評估板的軟啟動時間設計為約5 ms，因此 (C_{SS}) 電容值為33 nF。

(C_{VCC}) 電容

(C_{VCC}) 電容用于旁路內(nèi)部2.7V子穩(wěn)壓器，其大小應等于或大于1 μF，但小于10 μF，1 μF的值適用于大多數(shù)應用。

(C_{C1}) 電容

(C{C1}) 電容用于設置LM20125控制環(huán)路的交叉頻率。由于評估板在全輸入、輸出電壓和頻率范圍內(nèi)進行了優(yōu)化， (C{C1}) 的值選擇為3.3 nF。了解設備的工作條件后，可通過減小 (C{C1}) 的值并根據(jù)公式 (R{C 1}=left[frac{C{C 1}}{C{O U T}} timesleft[frac{I{O T}}{V{O U T}}+frac{1 - D}{f{S W} × L}+frac{15 × D}{V{N N}}right]right]^{-1}) 計算 (R_{C1}) 的值來優(yōu)化瞬態(tài)響應。

(C_{C2}) 電容

在某些設計中，第二個補償電容 (C{C2}) 可用于提供高頻極點，以抵消輸出電容ESR可能引入的零點。評估板的 (C{C2}) 焊盤未填充，因為輸出使用的低ESR陶瓷電容在交叉頻率之前不會為控制環(huán)路貢獻零點。若更換為具有顯著ESR的電容，可通過公式 (C{C 2}=frac{C{OUT } × R{ESR}}{R{C 1}}) 估算 (C_{C2}) 的值。

(R{FB1}) 和 (R{FB2}) 電阻

(R{FB1}) 和 (R{FB2}) 電阻構成從 (V{OUT}) 到反饋引腳的分壓器，用于設置電壓穩(wěn)壓器的輸出。評估板的標稱輸出電壓為1.2V，此時 (R{FB1}=4.99 kΩ) ， (R{FB2}=10 kΩ) 。若需要不同的輸出電壓，可根據(jù)公式 (R{FB 1}=left(frac{V{OUT }}{0.8}-1right) × R{FB 2}) 調(diào)整 (R{FB1}) 的值， (R{FB2}) 保持10 kΩ不變。

六、總結

LM20125評估板為工程師提供了一個全面的平臺來評估LM20125同步降壓穩(wěn)壓器的性能。通過合理選擇組件和優(yōu)化設計，評估板在尺寸、效率和性能之間取得了良好的平衡。在實際應用中，工程師可以根據(jù)具體需求對組件進行調(diào)整，以滿足不同的設計要求。你在使用類似評估板時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。