深入剖析LM20333評估板：從設(shè)計到應(yīng)用

引言

在電子工程師的日常工作中，評估板是我們了解和測試芯片性能的重要工具。今天，我們就來詳細(xì)探討一下TI的LM20333評估板，看看它在電源管理領(lǐng)域能為我們帶來哪些驚喜。

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一、LM20333芯片特性

LM20333是一款功能強(qiáng)大的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，能夠驅(qū)動高達(dá)3A的負(fù)載電流。它的時鐘同步輸入功能允許開關(guān)頻率與外部時鐘源同步，頻率范圍從250kHz到1.5MHz，這不僅能減小功率級組件的尺寸，還能保證高效率。該芯片的輸入電壓范圍為4.5V至36V，具備逐周期電流限制、輸出電源良好指示和輸出過壓保護(hù)等故障保護(hù)特性。此外，雙功能軟啟動/跟蹤引腳可控制啟動響應(yīng)，精密使能引腳方便在有排序要求的應(yīng)用中對LM20333進(jìn)行排序。

二、評估板特點(diǎn)

2.1 設(shè)計優(yōu)化

評估板經(jīng)過優(yōu)化，可在4.5V至25V的輸入電壓下工作，在整體解決方案尺寸和穩(wěn)壓器效率之間取得了平衡。它采用四層PCB設(shè)計，尺寸接近2” x 2”，在無氣流情況下熱阻為27 °C/W。

2.2 輸出電壓可調(diào)

評估板的標(biāo)稱輸出電壓為3.3V，但通過更換反饋電阻（R5或R6），可以輕松改變輸出電壓。

三、評估板使用說明

3.1 快速設(shè)置步驟

1. 設(shè)置輸入源電流限制為3A，關(guān)閉輸入源，將輸入源的正輸出連接到J1，負(fù)輸出連接到J2。
2. 將具有3A能力的負(fù)載連接到J3（正連接）和J4（負(fù)連接）。
3. 正常操作時，使能引腳J5保持開路。
4. 設(shè)置輸入源電壓為12V，負(fù)載為0.1A，此時負(fù)載電壓應(yīng)穩(wěn)定在標(biāo)稱的3.3V。
5. 緩慢增加負(fù)載，同時監(jiān)測J3和J4處的負(fù)載電壓，在負(fù)載增加到3A時，輸出應(yīng)保持在3.3V。
6. 緩慢將輸入源電壓從4.5V掃至25V，負(fù)載電壓應(yīng)保持在3.3V。若需要禁用設(shè)備輸出，可將使能引腳J5連接到GND（J8）。
7. 使用JP1分流器選擇PGOOD的上拉電壓，將VPULLUP連接到VOUT或VCC。
8. 通過連接信號可按需改變操作頻率。

3.2 上電注意事項(xiàng)

首次上電時，建議保持負(fù)載功率較低。設(shè)置輸入源的電流限制，使其提供約為預(yù)期負(fù)載功率1.5倍的電流。上電后，立即檢查輸出是否為3.3V。進(jìn)行快速效率檢查是確認(rèn)一切正常運(yùn)行的最佳方法，因?yàn)?a target="_blank">開關(guān)電源中若有參數(shù)不正確，很可能會導(dǎo)致?lián)p耗和過熱。

3.3 過流保護(hù)

評估板配置了逐周期過流保護(hù)功能，該功能完全集成在LM20333芯片中，峰值電流限制約為5.2A。

四、性能特性

4.1 效率曲線

圖1展示了5V和12V輸入電壓下的轉(zhuǎn)換效率與輸出電流的關(guān)系。通過觀察效率曲線，我們可以了解在不同負(fù)載電流下評估板的效率表現(xiàn)，從而為實(shí)際應(yīng)用中的電源設(shè)計提供參考。

4.2 啟動波形

給評估板上電時，會有軟啟動序列。圖2顯示了典型啟動序列中的輸出電壓變化情況。軟啟動可以避免電源啟動時的電流沖擊，保護(hù)電路元件。

4.3 輸出紋波波形

圖3展示了輸出電壓紋波，測量時將示波器探頭尖端置于J3負(fù)載端子，探頭接地端抵在J4負(fù)載端子，示波器帶寬設(shè)置為20MHz。輸出紋波是衡量電源穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，較小的紋波意味著更穩(wěn)定的輸出電壓。

4.4 主開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形

圖4顯示了同步到外部源時典型的SW引腳電壓。了解開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓波形有助于我們分析開關(guān)過程中的能量轉(zhuǎn)換和損耗情況。

4.5 輸出瞬態(tài)響應(yīng)

圖5展示了300mA至3A瞬態(tài)過程中的輸出瞬態(tài)響應(yīng)。在實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)載可能會突然變化，良好的瞬態(tài)響應(yīng)能力可以保證輸出電壓在負(fù)載變化時快速恢復(fù)穩(wěn)定。

五、物料清單（BOM）

評估板的物料清單詳細(xì)列出了各個元件的信息，包括制造商和零件編號。例如，輸入電容使用了Murata的陶瓷電容，電感選用了Vishay的IHLP4040DZER10R0M11，輸出電容采用了Sanyo的150 μF POSCAP電容等。合理選擇元件對于評估板的性能至關(guān)重要，不同的元件特性會影響電源的效率、紋波和瞬態(tài)響應(yīng)等指標(biāo)。

六、元件選擇

6.1 輸入電容

輸入電容的RMS電流額定值可通過特定公式估算。陶瓷電容具有小尺寸大RMS電流額定值的特點(diǎn)，因此評估板使用了兩個4.7 μF、X5R、25V的Murata陶瓷電容（C2、C3）提供必要的輸入電容，還使用了一個22uF、X5R、25V的電容來抵消輸入電纜的電感。

6.2 電感

電感值的選擇要考慮在特定輸入輸出電壓和頻率下實(shí)現(xiàn)合適的紋波電流。評估板選擇的Vishay IHLP4040DZER10R0M11電感在效率、尺寸和飽和電流額定值之間取得了良好的平衡。

6.3 輸出電容

輸出電容會影響輸出電壓的紋波和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。評估板選用了Sanyo的150 μF POSCAP輸出電容，其ESR約為35 mΩ，RMS紋波電流額定值為1.4A，在12V輸入下，輸出的最壞情況峰峰值電壓紋波可計算為37 mV。

6.4 軟啟動電容

軟啟動電容可控制LM20333電壓調(diào)節(jié)器的啟動時間。評估板的軟啟動時間設(shè)計為約15 ms，對應(yīng)的C6電容值為100 nF。

6.5 VCC旁路電容

C5用于旁路內(nèi)部4.5V子穩(wěn)壓器，1 μF的電容值在大多數(shù)應(yīng)用中是足夠的。

6.6 自舉電容

C4作為自舉電容，為驅(qū)動高端FET提供電荷，最佳值為0.1 μF。

6.7 補(bǔ)償電容

C8用于設(shè)置LM20333控制環(huán)路的交叉頻率，評估板中其值為1.5 nF。在已知設(shè)備的工作條件后，可以通過減小C8的值并計算R7的值來優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)。

6.8 補(bǔ)償電阻

R7用于在控制環(huán)路中放置一個零點(diǎn)以抵消輸出濾波器極點(diǎn)，其大小可根據(jù)特定公式計算。為了保證穩(wěn)定性，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用中預(yù)期的最大輸出電流對設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償。

6.9 可選補(bǔ)償電容

C7可用于提高低占空比轉(zhuǎn)換的抗噪能力，并提供一個高頻極點(diǎn)，用于抵消輸出電容ESR可能引入的零點(diǎn)。評估板中C7的值為10pF，更高的值可以改善低占空比性能，但會犧牲相位裕度。

6.10 反饋電阻

R5和R6構(gòu)成電壓分壓器，用于設(shè)置電壓調(diào)節(jié)器的輸出。評估板標(biāo)稱輸出為3.3V時，R5 = 30.9 kΩ，R6 = 10 kΩ。若需要不同的輸出電壓，可根據(jù)公式調(diào)整R5的值，R6一般保持10 kΩ不變。R4用于環(huán)路穩(wěn)定性測量和微調(diào)輸出電壓精度。

6.11 可編程欠壓鎖定（UVLO）電阻

R2和R3構(gòu)成電壓分壓器，可用于設(shè)置電壓調(diào)節(jié)器的開啟閾值或UVLO。為了使設(shè)備能夠在4.5V下進(jìn)行評估，這些元件未安裝。若要改變開啟閾值，建議R3使用10 kΩ電阻，R2的值可通過公式計算。

七、PCB布局

評估板的PCB布局包括頂層、中間層1、中間層2和底層。合理的PCB布局對于減少電磁干擾、提高電源效率和穩(wěn)定性至關(guān)重要。在設(shè)計PCB時，需要考慮元件的布局、走線的長度和寬度、接地等因素。

八、重要注意事項(xiàng)

TI保留對其半導(dǎo)體產(chǎn)品和服務(wù)進(jìn)行更改和停產(chǎn)的權(quán)利，買家在下單前應(yīng)獲取最新信息并驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。TI對其組件的性能提供保證，但除適用法律要求外，不一定對每個組件的所有參數(shù)進(jìn)行測試。TI不承擔(dān)買家產(chǎn)品設(shè)計和應(yīng)用的責(zé)任，買家應(yīng)提供足夠的設(shè)計和操作保護(hù)措施。此外，在使用TI組件時，還需要注意知識產(chǎn)權(quán)、產(chǎn)品銷售和安全相關(guān)的規(guī)定。

通過對LM20333評估板的深入了解，我們可以更好地掌握該芯片的性能和應(yīng)用。在實(shí)際設(shè)計中，我們可以根據(jù)具體需求選擇合適的元件和參數(shù)，優(yōu)化電源設(shè)計，以滿足不同應(yīng)用場景的要求。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(yàn)。