電子工程師必看：LM20133評(píng)估板設(shè)計(jì)全解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理一直是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。今天，我們就來深入探討一下TI公司的LM20133評(píng)估板，它在電源轉(zhuǎn)換和管理方面有著出色的表現(xiàn)。

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一、LM20133芯片特性

LM20133是一款功能全面的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)3A的負(fù)載電流。它具有時(shí)鐘同步輸入功能，可將開關(guān)頻率同步到外部時(shí)鐘源，同步范圍為500kHz至1.5MHz，這不僅能減小功率級(jí)組件的尺寸，還能保證高效率。該芯片可將2.95V至5.5V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為低至0.8V的輸出電壓，具備逐周期電流限制、輸出電源正常指示和輸出過壓保護(hù)等故障保護(hù)功能。此外，雙功能軟啟動(dòng)/跟蹤引腳可控制啟動(dòng)響應(yīng)，精確使能引腳便于在有排序要求的應(yīng)用中對(duì)LM20133進(jìn)行排序。它采用16引腳HTSSOP封裝，帶有外露焊盤以增強(qiáng)熱性能。

二、評(píng)估板設(shè)計(jì)亮點(diǎn)

1. 尺寸與效率平衡：評(píng)估板采用兩層PCB，尺寸約為1.3” x 1.1”，所有組件都放置在頂層。其功率級(jí)和補(bǔ)償組件針對(duì)5V輸入電壓進(jìn)行了優(yōu)化，但測(cè)試時(shí)輸入電壓可在整個(gè)工作范圍內(nèi)變化。
2. 輸出電壓可調(diào)：評(píng)估板的標(biāo)稱輸出電壓為1.2V，通過更換反饋電阻 (R{FB 1}) 或 (R{FB 2}) ，可以輕松改變輸出電壓。
3. 穩(wěn)定的控制回路：控制回路補(bǔ)償設(shè)計(jì)旨在在整個(gè)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(yīng)。
4. 使能條件：板上的EN引腳電壓必須高于1.18V（典型值）才能啟動(dòng)開關(guān)。如果不需要EN功能，應(yīng)將EN引腳外部連接到 (V_{IN}) 。

三、物料清單

四、連接說明

五、組件選擇

1. 輸入電容

輸入電容的RMS電流額定值可通過公式 (I{CIN(RMS) }=3 A sqrt{0.5 × 0.5}=1.5 A) 估算，最大 (I{CIN(RMS)}) 要求在3A滿載電流且系統(tǒng)工作在50%占空比時(shí)出現(xiàn)。評(píng)估板選用了Murata的47μF X5R陶瓷電容，為了改善旁路效果，還并聯(lián)了一個(gè)1μF的高頻電容來過濾電源上的高頻噪聲脈沖。

2. (AV IN) 濾波器

為防止 (PV IN) 上的開關(guān)噪聲干擾連接到 (AV IN) 的內(nèi)部模擬電路，添加了由 (R{F}) 和 (C{F}) 組成的RC濾波器。 (R{F}) 選用1Ω電阻，以確保啟用部件后不會(huì)觸發(fā)UVLO比較器。1μF的 (C{F}) 電容與1Ω電阻配合，在1MHz開關(guān)頻率下提供約16dB的衰減。

3. 電感器

根據(jù)公式 (Delta I{P . p}=frac{left(V{IN} cdot V{OUT }right) × D}{L × f{SW}}) 計(jì)算電感值，對(duì)于 (V{IN}=5 ~V) ， (V{OUT }=1.2V) ， (f{SYNC }=500 kHz) ， (I{OUT }=3 ~A) 的應(yīng)用，標(biāo)稱電感值約為2.03uH，最終選擇2.5μH的電感器，以平衡物理尺寸、效率和載流能力。

4. 輸出電容

輸出電容的值會(huì)影響輸出電壓的紋波和負(fù)載瞬態(tài)時(shí)的大信號(hào)輸出電壓響應(yīng)。通過公式 (Delta V{OUT }=Delta I{P.P } xleft[R{ESR}+frac{1}{8 × f{SW} × C_{OUT }}right]) 可估算輸出電壓紋波。評(píng)估板選用Murata的47μF陶瓷電容，其ESR約為3mΩ，有效電容約為32μF，5V輸入時(shí)輸出的峰 - 峰電壓紋波可計(jì)算為8mV。

5. (C_{ss})

軟啟動(dòng)電容 (C{ss}) 用于控制LM20133電壓調(diào)節(jié)器的啟動(dòng)時(shí)間，啟動(dòng)時(shí)間可通過公式 (t{S S}=frac{0.8 V × C{S S}}{I{S S}}) 估算。對(duì)于LM20133， (I{SS}) 標(biāo)稱值為5μA，評(píng)估板設(shè)計(jì)的軟啟動(dòng)時(shí)間約為5ms，因此 (C{ss}) 電容值為33nF。

6. (C_{vcc})

(C_{vcc}) 電容用于旁路內(nèi)部2.7V子穩(wěn)壓器，其大小應(yīng)等于或大于1μF但小于10μF，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，1μF的值就足夠了。

7. (C_{C 1})

(C{C 1}) 電容用于設(shè)置LM20133控制回路的交叉頻率，評(píng)估板選擇5.6nF的值以在全輸入、輸出電壓和頻率范圍內(nèi)良好工作。了解設(shè)備的工作條件后，可通過減小 (C{C 1}) 的值并計(jì)算 (R_{C 1}) 的值來優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)。

8. (R_{C 1})

電阻 (R{C 1}) 用于在控制回路中設(shè)置一個(gè)零點(diǎn)以抵消輸出濾波器極點(diǎn)，其大小可根據(jù)公式 (R{C 1}=left[frac{C{C 1}}{C{OUT }} timesleft[frac{I{OUT }}{V{OUT }}+frac{1-D}{f{SW} × L}+frac{15 × D}{V{IN}}right]right]^{-1}) 計(jì)算。

9. (C_{C 2})

在某些設(shè)計(jì)中， (C{C 2}) 電容可用于提供一個(gè)高頻極點(diǎn)，以抵消輸出電容ESR可能引入的零點(diǎn)。評(píng)估板上 (C{C 2}) 焊盤未焊接，因?yàn)檩敵鍪褂玫牡虴SR陶瓷電容在交叉頻率之前不會(huì)為控制回路引入零點(diǎn)。如果更換為具有顯著ESR的電容，可通過公式 (C{C 2}=frac{C{OUT } × R{ESR}}{R{C 1}}) 估算 (C_{C 2}) 的值。

10. (R{FB 1}) 和 (R{FB 2})

(R{FB 1}) 和 (R{FB 2}) 組成電壓分壓器，用于設(shè)置電壓調(diào)節(jié)器的輸出。評(píng)估板標(biāo)稱輸出電壓為1.2V時(shí)， (R{FB 1}=4.99 k Omega) ， (R{FB 2}=10 k Omega) 。如果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{FB 1}) 的值， (R_{FB 2}) 保持10kΩ不變。

六、PCB布局

評(píng)估板的PCB布局包括頂層和底層，合理的布局對(duì)于保證電路性能至關(guān)重要。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要考慮組件的放置、布線的長(zhǎng)度和寬度等因素，以減少干擾和提高穩(wěn)定性。

七、注意事項(xiàng)

TI公司保留對(duì)其半導(dǎo)體產(chǎn)品和服務(wù)進(jìn)行更改和停產(chǎn)的權(quán)利，購買者在下單前應(yīng)獲取最新相關(guān)信息并驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。TI對(duì)組件的性能提供保證，但不承擔(dān)應(yīng)用協(xié)助或買方產(chǎn)品設(shè)計(jì)的責(zé)任，買方需為自己的產(chǎn)品和應(yīng)用負(fù)責(zé)。此外，TI組件在不同應(yīng)用場(chǎng)景（如安全關(guān)鍵應(yīng)用、醫(yī)療設(shè)備、軍事/航空航天應(yīng)用等）有特定的使用規(guī)定，使用時(shí)需嚴(yán)格遵守。

通過對(duì)LM20133評(píng)估板的詳細(xì)分析，我們可以看到它在電源管理方面的優(yōu)勢(shì)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，電子工程師可以根據(jù)具體需求對(duì)組件進(jìn)行選擇和調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能。你在使用類似評(píng)估板時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。