LM20154評估板：高性能降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計與應(yīng)用

一、引言

在電子設(shè)計領(lǐng)域，降壓開關(guān)穩(wěn)壓器是一種常見且重要的電源管理組件。今天我們要深入探討的是TI公司的LM20154評估板，它基于LM20154降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，具有諸多出色的特性，能夠滿足多種應(yīng)用場景的需求。

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二、LM20154芯片特性

2.1 基本性能

LM20154是一款功能齊全的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，能夠驅(qū)動高達(dá)4A的負(fù)載電流。其標(biāo)稱1MHz的開關(guān)頻率在減小功率級組件尺寸的同時，還能保證高效運行。它可以將2.95V至5.5V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為低至0.8V的輸出電壓。

2.2 保護(hù)功能

具備多種故障保護(hù)特性，如逐周期電流限制、輸出電源良好指示以及輸出過壓保護(hù)等，這些功能大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.3 控制特性

雙功能軟啟動/跟蹤引腳可用于控制LM20154的啟動響應(yīng)，而精密使能引腳則能方便地在有排序要求的應(yīng)用中對其進(jìn)行排序。此外，它還具有一個漏極開路的SYNCOUT引腳，可提供與內(nèi)部振蕩器相位相差180度的信號。

2.4 封裝形式

采用16引腳HTSSOP封裝，帶有外露焊盤，有助于增強(qiáng)熱性能。

三、評估板設(shè)計特點

3.1 尺寸與布局

評估板設(shè)計注重整體解決方案尺寸與穩(wěn)壓器效率的平衡。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。

3.2 輸入輸出特性

功率級和補(bǔ)償組件針對5V輸入電壓進(jìn)行了優(yōu)化，但測試時輸入電壓可在整個工作范圍內(nèi)變化。評估板的標(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。

3.3 控制環(huán)路補(bǔ)償

控制環(huán)路補(bǔ)償設(shè)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(yīng)。使能引腳（EN）在板上的電壓需高于1.18V（典型值）才能啟動開關(guān)。若不需要使能功能，應(yīng)將EN引腳外部連接到 (V_{IN}) 。

四、物料清單（BOM）

五、連接描述

5.1 輸入輸出連接

• V IN：是設(shè)備的輸入電壓端，設(shè)備可在2.95V至5.5V的輸入電壓范圍內(nèi)工作，該引腳的絕對最大電壓額定值為6V。
• GND：是設(shè)備的接地連接端，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(fù)載。
• V OUT：連接到電源的輸出電壓，應(yīng)連接到負(fù)載。

5.2 控制引腳連接

• EN：連接到設(shè)備的使能引腳，可連接到 (V_{IN}) 或外部驅(qū)動。外部驅(qū)動時，電壓通常大于1.18V可使能設(shè)備，該引腳的工作電壓不應(yīng)超過5.5V，絕對最大電壓額定值為6V。
• SS/TRACK：可訪問設(shè)備的SS/TRK引腳，大多數(shù)應(yīng)用中不需要連接此引腳。若用外部電壓源驅(qū)動且電壓低于0.8V參考電壓，設(shè)備的反饋引腳將跟蹤該引腳的電壓，正常工作時該引腳電壓不應(yīng)超過5.5V，絕對最大電壓額定值為6V。
• PGOOD：連接到設(shè)備的電源良好輸出端，該引腳到輸入電壓有一個10kΩ的上拉電阻，正常工作時引腳電壓不應(yīng)超過5.5V，絕對最大電壓額定值為6V。
• SYNC：連接到設(shè)備的SYNCOUT引腳，該漏極開路輸出到輸入電壓有一個4.99kΩ的上拉電阻，正常工作時引腳電壓不應(yīng)超過5.5V，絕對最大電壓額定值為6V。

六、組件選擇

6.1 輸入電容

對于降壓穩(wěn)壓器，輸入電容的所需RMS電流額定值可通過公式估算。在50%占空比、4A滿載電流的情況下，最大 (I_{CIN(RMS)}) 需求出現(xiàn)。陶瓷電容具有小尺寸大RMS電流額定值的特點，評估板選用了Murata的100μF X5R陶瓷電容，其RMS電流額定值為5.4A，同時還并聯(lián)了一個1μF的高頻電容以過濾電源上的高頻噪聲脈沖。

6.2 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。評估板使用1Ω的 (R{F}) 電阻，以確保啟用器件后不會觸發(fā)UVLO比較器。1Ω電阻與推薦的1μF (C{F}) 電容在1MHz開關(guān)頻率下可提供約16dB的衰減。

6.3 電感

根據(jù)器件數(shù)據(jù)手冊推薦，電感值應(yīng)使峰峰值紋波電流約為最大輸出電流的30%。通過公式計算，在 (V{IN}=5V) 、 (V{OUT }=1.2V) 、 (f{sw}=1MHz) 、 (I{OUT }=4A) 的情況下，標(biāo)稱電感值約為0.76μH，最終選擇1μH的電感，此時在5V和3.3V輸入時的峰峰值紋波電流分別為912mA和1.122A。評估板選用的Coilcraft MSS1038-102NL電感在效率（6mΩ DCR）、尺寸和飽和電流額定值（9A (I_{SAT}) ）之間取得了良好的平衡。

6.4 輸出電容

輸出電容的值會影響輸出電壓的紋波以及負(fù)載瞬態(tài)時的大信號輸出電壓響應(yīng)。評估板選用Murata的100μF陶瓷電容作為輸出電容，其ESR約為2mΩ，有效電路電容約為55μF（由于1.2V直流偏置從100μF降低）。在5V輸入下，輸出的峰峰值電壓紋波可計算為3.9mV。

6.5 (C_{ss}) 軟啟動電容

軟啟動電容可用于控制LM20154電壓穩(wěn)壓器的啟動時間。評估板的軟啟動時間設(shè)計為約5ms，根據(jù)公式計算得出 (C_{ss}) 電容值為33nF。

6.6 (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(yīng)等于或大于1μF，但小于10μF，對于大多數(shù)應(yīng)用，1μF的值就足夠了。

6.7 (C_{C 1}) 電容

(C{C 1}) 電容用于設(shè)置LM20154控制環(huán)路的交叉頻率。由于評估板針對全輸入和輸出電壓范圍進(jìn)行了優(yōu)化，(C{C 1}) 的值選擇為3.3nF。在確定器件的工作條件后，可以通過減小 (C{C 1}) 的值并計算 (R{C 1}) 的值來優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)。

6.8 (R_{C 1}) 電阻

(R_{C 1}) 電阻用于在控制環(huán)路中設(shè)置一個零點，以抵消輸出濾波器極點。其大小可根據(jù)公式計算，為保證穩(wěn)定性，應(yīng)針對應(yīng)用中預(yù)期的最大輸出電流對器件進(jìn)行補(bǔ)償。

6.9 (C_{C 2}) 電容

在某些設(shè)計中，(C{C 2}) 電容可用于提供一個高頻極點，用于抵消輸出電容ESR可能引入的零點。評估板上 (C{C 2}) 焊盤未焊接元件，因為輸出使用的低ESR陶瓷電容在交叉頻率之前不會對控制環(huán)路貢獻(xiàn)零點。若更換為具有顯著ESR的電容，可通過公式估算 (C_{C 2}) 的值。

6.10 (R_{S}) 電阻

(R{S}) 電阻用于將SYNCOUT引腳的漏極開路輸出拉至輸入電壓，其值選擇為4.99kΩ，適用于大多數(shù)應(yīng)用。但要注意SYNC端子上的電容負(fù)載可能會在SYNCOUT信號中產(chǎn)生額外的相位滯后，驅(qū)動電容負(fù)載時，可通過減小 (R{S}) 的值獲得更陡峭的SYNC邊沿。

6.11 (R{FB 1}) 和 (R{FB 2}) 電阻

(R{FB 1}) 和 (R{FB 2}) 電阻構(gòu)成一個從 (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。評估板的標(biāo)稱輸出電壓為1.2V，此時 (R{FB 1}=4.99kΩ) ， (R{FB 2}=10kΩ) 。若需要不同的輸出電壓，可根據(jù)公式調(diào)整 (R{FB 1}) 的值，而 (R_{FB 2}) 保持10kΩ不變。

七、PCB布局

評估板的PCB布局包括頂層和底層，合理的布局有助于提高電路的性能和穩(wěn)定性。但文檔中未詳細(xì)描述布局的具體要點，不過我們可以推測，在實際設(shè)計中，應(yīng)遵循電源電路布局的一般原則，如減少布線長度、避免干擾等。

八、總結(jié)

LM20154評估板為工程師提供了一個方便的平臺，用于評估和應(yīng)用LM20154降壓開關(guān)穩(wěn)壓器。通過對其芯片特性、評估板設(shè)計、組件選擇和PCB布局等方面的了解，工程師可以更好地利用該評估板進(jìn)行電源管理設(shè)計。在實際應(yīng)用中，還需要根據(jù)具體需求對組件進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以滿足不同的性能要求。大家在使用過程中有沒有遇到過類似評估板的設(shè)計挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。