德州儀器LM20124評(píng)估板：高效降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理是至關(guān)重要的一環(huán)。德州儀器（TI）的LM20124降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器以其出色的性能和豐富的功能，成為眾多工程師的首選。今天，我們就來(lái)深入探討一下基于LM20124的評(píng)估板設(shè)計(jì)，以及各個(gè)組件的選擇要點(diǎn)。

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一、LM20124概述

LM20124是一款功能齊全的降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)4A的負(fù)載電流。其標(biāo)稱1MHz的開(kāi)關(guān)頻率在減小功率級(jí)組件尺寸的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。該穩(wěn)壓器可將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(guò)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)，精密使能引腳則便于在有排序要求的應(yīng)用中對(duì)LM20124進(jìn)行排序。它采用16引腳HTSSOP封裝，帶有外露焊盤(pán)以增強(qiáng)熱性能。

二、評(píng)估板設(shè)計(jì)特點(diǎn)

LM20124評(píng)估板旨在平衡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” × 1.1”，所有組件都放置在頂層。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。評(píng)估板的標(biāo)稱輸出電壓為1.2V，通過(guò)更換反饋電阻（ (R{FB 1}) 或 (R{FB 2}) ）可輕松改變輸出電壓?？刂骗h(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)確保在整個(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)。板上的EN引腳必須高于1.18V（典型值）才能啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，如果不需要EN功能，應(yīng)將EN引腳外部連接到 (V_{IN}) 。

三、組件選擇

1. 輸入電容

對(duì)于降壓穩(wěn)壓器，輸入電容的所需RMS電流額定值可通過(guò)特定方程估算。陶瓷電容具有小尺寸大 (I{RMS}) 額定值的特點(diǎn)，非常適合該應(yīng)用。評(píng)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(píng)估板提供了必要的輸入電容。為了改善旁路效果，還并聯(lián)了一個(gè)1 μF的高頻電容來(lái)過(guò)濾電源上的高頻噪聲脈沖。

2. AVIN濾波器

為防止PVIN上的開(kāi)關(guān)噪聲干擾連接到AVIN的內(nèi)部模擬電路，需添加RC濾波器（ (R{F}) 和 (C{F}) ）。 (R{F}) 的尺寸有實(shí)際限制，因?yàn)锳VIN引腳在啟動(dòng)期間會(huì)有60mA的短時(shí)電流脈沖，如果 (R{F}) 太大，產(chǎn)生的電壓降可能會(huì)觸發(fā)UVLO比較器。評(píng)估板使用1Ω電阻作為 (R{F}) ，確保啟用器件后不會(huì)觸發(fā)UVLO。推薦的1uF (C{F}) 電容與1Ω電阻配合，在1MHz開(kāi)關(guān)頻率下可提供約16dB的衰減。

3. 電感器

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)建議，電感器值應(yīng)使峰峰值紋波電流約為最大輸出電流的30%。通過(guò)特定方程計(jì)算，對(duì)于 (V{IN}=5V) 、 (V{OUT }=1.2V) 、 (f{s w}=1 MHz) 和 (I{OUT }=4A) 的應(yīng)用，標(biāo)稱電感值約為0.76uH，最終選擇1uH的電感器，這會(huì)在轉(zhuǎn)換器分別從5V和3.3V供電時(shí)產(chǎn)生912mA和1.122A的峰峰值紋波電流。對(duì)于LM20124評(píng)估板，Coilcraft MSS1038 - 102NL電感器在效率（6mΩ DCR）、尺寸和飽和電流額定值（9A (I_{SAT}) 額定值）之間取得了良好的平衡。

4. 輸出電容

輸出電容的值會(huì)影響輸出電壓的紋波以及負(fù)載瞬態(tài)時(shí)的大信號(hào)輸出電壓響應(yīng)。通過(guò)特定方程可近似計(jì)算輸出電壓紋波，紋波電壓可分為兩部分，一部分歸因于交流紋波電流通過(guò)輸出電容的ESR，另一部分是交流紋波電流對(duì)輸出電容的充放電。評(píng)估板選用村田的100 μF陶瓷電容作為輸出電容，其ESR約為2mΩ，有效電路電容約為55 μF（由于1.2V直流偏置從100 μF降低）。在5V輸入下運(yùn)行時(shí)，輸出的峰峰值電壓紋波可計(jì)算為3.9mV。

5. (C_{SS})

軟啟動(dòng)電容可用于控制LM20124電壓穩(wěn)壓器的啟動(dòng)時(shí)間。通過(guò)特定方程估算，對(duì)于LM20124， (I{SS}) 標(biāo)稱值為5μA，評(píng)估板的軟啟動(dòng)時(shí)間設(shè)計(jì)為約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，其尺寸應(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_{C1})

電容 (C{C1}) 用于設(shè)置LM20124控制環(huán)路的交叉頻率。由于該板針對(duì)全輸入和輸出電壓范圍進(jìn)行了優(yōu)化， (C{C1}) 的值選擇為3.3nF。了解器件的工作條件后，可通過(guò)減小 (C{C1}) 的值并計(jì)算 (R{C1}) 的值來(lái)優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)。

8. (R_{C1})

確定 (C{C1}) 的值后，電阻 (R{C1}) 用于在控制環(huán)路中設(shè)置一個(gè)零點(diǎn)，以抵消輸出濾波器極點(diǎn)。該電阻可根據(jù)特定方程進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)，為了穩(wěn)定性，應(yīng)針對(duì)應(yīng)用中預(yù)期的最大輸出電流對(duì)器件進(jìn)行補(bǔ)償。

9. (C_{C2})

在某些設(shè)計(jì)中，第二個(gè)補(bǔ)償電容 (C{C2}) 可用于提供高頻極點(diǎn)，用于抵消輸出電容ESR可能引入的零點(diǎn)。對(duì)于LM20124評(píng)估板， (C{C2}) 焊盤(pán)未填充，因?yàn)檩敵鍪褂玫牡虴SR陶瓷電容在交叉頻率之前不會(huì)為控制環(huán)路貢獻(xiàn)零點(diǎn)。如果評(píng)估板上的陶瓷電容被具有顯著ESR的不同電容替換，則可通過(guò)特定方程估算 (C_{C2}) 的所需值。

10. (R{FB 1}) 和 (R{FB 2})

電阻 (R{FB 1}) 和 (R{FB 2}) 構(gòu)成從 (V{OUT}) 到反饋引腳的分壓器，用于設(shè)置電壓穩(wěn)壓器的輸出。評(píng)估板的標(biāo)稱輸出設(shè)置為1.2V，此時(shí) (R{FB 1}=4.99kΩ) ， (R{FB 2}=10kΩ) 。如果需要不同的輸出電壓，可根據(jù)特定方程調(diào)整 (R{FB 1}) 的值，而 (R_{FB 2}) 無(wú)需改變。

四、評(píng)估板原理圖與物料清單

評(píng)估板的原理圖展示了各個(gè)組件的連接方式，物料清單詳細(xì)列出了每個(gè)組件的設(shè)計(jì)代號(hào)、描述、型號(hào)、制造商和數(shù)量。這為工程師進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)和組裝提供了清晰的指導(dǎo)。

五、連接說(shuō)明

評(píng)估板的各個(gè)端子都有明確的功能和連接要求，如 (V{IN}) 為輸入電壓端子， (GND) 為接地端子， (V{OUT}) 為輸出電壓端子， (EN) 為使能引腳端子等。了解這些連接說(shuō)明對(duì)于正確使用評(píng)估板至關(guān)重要。

六、性能特性

評(píng)估板的性能特性包括效率與負(fù)載的關(guān)系、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和負(fù)載調(diào)節(jié)等。通過(guò)相關(guān)圖表可以直觀地看到不同輸入電壓下的效率變化以及負(fù)載變化時(shí)的輸出電壓響應(yīng)。

七、PCB布局

評(píng)估板的PCB布局分為頂層和底層，合理的布局有助于提高電路的性能和穩(wěn)定性。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和性能要求，對(duì)各個(gè)組件進(jìn)行合理選擇和優(yōu)化。你在使用LM20124評(píng)估板的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。