探索LM27403EVM - POL600 30A超緊湊DC/DC調(diào)節(jié)器評(píng)估模塊

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，DC/DC調(diào)節(jié)器是電源管理的關(guān)鍵組件。今天我們就來深入探討德州儀器的LM27403EVM - POL600評(píng)估模塊，它為解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)中面臨的高密度、高效率負(fù)載點(diǎn)（POL）調(diào)節(jié)器需求，以及印制電路板空間緊張等問題提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。

文件下載：LM27403EVM-POL600.pdf

一、模塊概述

特點(diǎn)

• 高功率密度：采用表面貼裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了模塊與主板的子母板配置，超緊湊設(shè)計(jì)非常適合高產(chǎn)量的SMT制造。
• 靈活輸出：輸出電壓可在0.6 V至5.5 V之間調(diào)節(jié)，設(shè)置精度優(yōu)于1%，通過改變一個(gè)微調(diào)電阻就能輕松實(shí)現(xiàn)。
• 高效節(jié)能：轉(zhuǎn)換效率高達(dá)91%，可以有效降低功耗和封裝溫度，實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。
• 寬電壓范圍：額定輸入電壓為12 V，但可在3 V至20 V之間變化，適應(yīng)多種電源環(huán)境。

典型應(yīng)用

此模塊適用于同步降壓調(diào)節(jié)器、高電流密度POL模塊，在通信、云計(jì)算、服務(wù)器、存儲(chǔ)、圖形處理、嵌入式計(jì)算、FPGA、ASIC、DSP等領(lǐng)域都能發(fā)揮重要作用。

二、電氣性能分析

輸入特性

輸入電壓范圍為4.5 - 20 V，開啟電壓為4.4 V，關(guān)閉電壓為3.7 V。全負(fù)載時(shí)，輸入電流會(huì)根據(jù)輸入電壓不同而變化，例如在7 V輸入、30 A輸出時(shí)為8.48 A，12 V輸入、30 A輸出時(shí)為4.95 A?？蛰d和禁用時(shí)，輸入電流較低，分別為40 mA和1 mA。

輸出特性

默認(rèn)輸出電壓為1.8 V，輸出電流最大可達(dá)30 A（輸出電壓不超過1.8 V時(shí)），負(fù)載和線性調(diào)節(jié)率均為0.5%。輸出電壓紋波在12 V輸入、20 A輸出時(shí)為10 mVpp，瞬態(tài)響應(yīng)在0 - 10 A、2 A/μs的轉(zhuǎn)換速率下為50 mV 。

其他特性

開關(guān)頻率為600 kHz，可同步至最高1.2 MHz。滿載效率在12 V輸入、30 A輸出時(shí)可達(dá)91%，峰值效率在12 V輸入、12 A輸出時(shí)達(dá)到93%。系統(tǒng)還具備過流保護(hù)、可編程熱關(guān)斷、軟啟動(dòng)等功能。

三、設(shè)計(jì)要點(diǎn)考量

電流檢測

- **傳統(tǒng)方法**：在DC/DC調(diào)節(jié)器中，利用電感直流電阻（DCR）或MOSFET導(dǎo)通電阻進(jìn)行無損電流檢測很常見。但僅檢測降壓轉(zhuǎn)換器中低端MOSFET兩端的電壓并不準(zhǔn)確，因?yàn)槠鋵?dǎo)通電阻初始容差大（高達(dá)±30%），且會(huì)隨溫度變化。相比之下，電感DCR的容差通常為±8%甚至更低。
- **創(chuàng)新方法**：通過采用TI Power Block NexFET?等垂直集成MOSFET器件的封裝結(jié)構(gòu)銅電阻，可以提高有效檢測電阻和電壓信號(hào)幅度。在電路設(shè)計(jì)中，將電感DCR電流檢測與MOSFET開關(guān)夾的銅電阻結(jié)合起來，能實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的電流檢測。

散熱設(shè)計(jì)

由于模塊體積小，散熱設(shè)計(jì)至關(guān)重要。要盡量減少功率損耗，降低組件工作溫度。MOSFET的導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù)，溫度升高會(huì)導(dǎo)致功耗進(jìn)一步增加。主板和模塊的電源與接地層可作為散熱器，并且推薦將主要的功率耗散組件（如MOSFET和電感）放置在模塊頂部，利用自然對(duì)流或強(qiáng)制對(duì)流散熱。

組件選擇

- **PWM控制器**：LM27403是一款高性能的同步降壓PWM控制器，具有電壓模式控制環(huán)路、自適應(yīng)死區(qū)控制的集成MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器、電感DCR電流檢測和30 ns的最小導(dǎo)通時(shí)間，適用于低占空比應(yīng)用。
- **MOSFET**：TI的CSD87350Q5D Power Block NexFET?專為同步降壓應(yīng)用優(yōu)化，具有高電流、高效率和高頻率能力，封裝小，在降低開關(guān)損耗方面表現(xiàn)出色。
- **濾波電感**：選擇低DCR的鐵氧體電感可以減少銅損和磁芯損耗。在30 A的電流下，電感的功耗（包括銅損和磁芯損耗）為0.6 W。

輸出電壓設(shè)置與遠(yuǎn)程感測

通過選擇合適的反饋電阻，可以輕松調(diào)整模塊的輸出電壓。同時(shí)，主板上的開關(guān)可以用于配置輸出電壓的本地或遠(yuǎn)程感測。

四、測試設(shè)置與步驟

測試設(shè)備

需要用到0 - 20 V、可提供10 A電流的可變直流電源、萬用表、電子負(fù)載、示波器和風(fēng)扇等。

測試連接

在連接電源前，要確保將電源電流限制在10 A以內(nèi)，輸入源初始設(shè)置為0 V。分別連接好輸入和輸出電路，注意選擇合適的電線規(guī)格，盡量減少線路電阻和電壓降?？梢酝ㄟ^主板上的滑塊開關(guān)選擇本地或遠(yuǎn)程輸出電壓感測。

測試流程

按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置好測試環(huán)境后，將負(fù)載設(shè)置為恒阻或恒流模式，并將其電流設(shè)置為0 A。逐漸增加輸入電壓，測量輸入和輸出電壓，同時(shí)改變負(fù)載電流和輸入電壓，檢查輸出電壓是否在規(guī)定的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。

五、測試數(shù)據(jù)與性能曲線（僅供參考）

效率曲線

在不同的輸出電壓和負(fù)載電流下，模塊的效率有所變化。在12 V輸入電壓下，當(dāng)輸出電壓為1.8 V、負(fù)載電流為12 A時(shí)，效率可達(dá)93%。

負(fù)載和線性調(diào)節(jié)曲線

負(fù)載和線性調(diào)節(jié)率較好，輸出電壓在負(fù)載電流和輸入電壓變化時(shí)能保持相對(duì)穩(wěn)定。

其他曲線

還展示了電流限制打嗝模式、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)、輸出紋波、啟動(dòng)和關(guān)機(jī)特性等曲線，這些曲線能幫助我們更全面地了解模塊的性能。

LM27403EVM - POL600評(píng)估模塊憑借其高性能、高效率和緊湊的設(shè)計(jì)，為電源管理設(shè)計(jì)提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。各位電子工程師在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需求，結(jié)合上述要點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。你在使用類似模塊時(shí)遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。