LM2694評(píng)估板：設(shè)計(jì)與性能全解析

一、引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一款性能優(yōu)良的評(píng)估板能為工程師提供極大的便利。LM2694EVAL評(píng)估板就是這樣一款產(chǎn)品，它采用恒定導(dǎo)通時(shí)間（COT）工作原理，為設(shè)計(jì)工程師提供了一個(gè)功能完備的降壓調(diào)節(jié)器。該評(píng)估板能在8V - 30V的輸入范圍內(nèi)提供5V的輸出電壓，可提供高達(dá)0.5A的負(fù)載電流，電流限制設(shè)置約為0.65A。除了R4、C6、C9和C12，板子上已安裝了所有外部組件，這些組件可用于管理輸出紋波電壓。

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評(píng)估板規(guī)格

• 輸入電壓：8V - 30V
• 輸出電壓：5V
• 最大負(fù)載電流：0.5A
• 最小負(fù)載電流：0A
• 電流限制：0.65A
• 測(cè)量效率：在 (V{IN}=8V) ， (I{OUT}=200mA) 時(shí)為93.4%
• 標(biāo)稱開(kāi)關(guān)頻率：250kHz
• 尺寸：2.25英寸 x 0.88英寸 x 0.55英寸

二、工作原理

評(píng)估板的導(dǎo)通時(shí)間由R1和 (V{IN}) 決定，計(jì)算公式為： [t{ON}=frac{1.14 × 10^{-10} times(R 1+1.4 k)}{left(V{ON}-1.5 Vright)}+95 ns] 導(dǎo)通時(shí)間在 (V{IN}=8V) 時(shí)約為2600ns，在 (V{IN}=30V) 時(shí)約為660ns，且導(dǎo)通時(shí)間與 (V{IN}) 成反比，以保持近乎恒定的開(kāi)關(guān)頻率。每個(gè)導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束后，最小關(guān)斷定時(shí)器確保降壓開(kāi)關(guān)至少關(guān)斷265ns。在關(guān)斷期間，輸出電容（C7）由負(fù)載電流放電。當(dāng)輸出電壓下降到使FB引腳電壓低于2.5V時(shí)，調(diào)節(jié)比較器啟動(dòng)新的導(dǎo)通時(shí)間周期。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的固定頻率操作，F(xiàn)B引腳需要約25mV的紋波來(lái)切換調(diào)節(jié)比較器。

三、板布局與探測(cè)注意事項(xiàng)

布局

從圖1可以看到電路組件的布局。在給板子供電時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

• 散熱問(wèn)題：在高輸入電壓和高負(fù)載電流下運(yùn)行時(shí)，建議使用強(qiáng)制氣流散熱。因?yàn)榇藭r(shí)LM2694和二極管D1可能會(huì)發(fā)熱。
• 探測(cè)安全：在高輸入電壓下探測(cè)電路時(shí)要格外小心，以防止受傷和電路損壞。
• 負(fù)載連接：在最大負(fù)載電流（0.5A）下，連接負(fù)載的電線尺寸和長(zhǎng)度很重要，要確保評(píng)估板和負(fù)載之間的電線沒(méi)有明顯的電壓降。

連接與啟動(dòng)

輸入連接到J1連接器，負(fù)載連接到OUT和GND端子。要確保電線尺寸適合預(yù)期的負(fù)載電流。啟動(dòng)前，應(yīng)在輸入和輸出端子連接電壓表，用電流表或電流探頭監(jiān)測(cè)負(fù)載電流。建議將輸入電壓逐漸增加到8V，此時(shí)輸出電壓應(yīng)為5V。如果輸出電壓正確，可根據(jù)需要增加輸入電壓并評(píng)估電路。

四、輸出紋波控制

LM2694正常工作時(shí)，F(xiàn)B引腳需要至少25mVp - p的紋波，且與SW引腳的開(kāi)關(guān)波形同相。在最簡(jiǎn)單的配置中，紋波來(lái)自電感的紋波電流流經(jīng)R4在輸出端產(chǎn)生的紋波，該紋波電壓會(huì)被反饋電阻衰減，因此輸出端的紋波幅度要高于25mVp - p。下面介紹幾種控制輸出紋波的配置：

最小輸出紋波配置

評(píng)估板默認(rèn)配置為輸出紋波最小。輸出紋波在 (V{IN}=8V) 時(shí)為2mVp - p，在 (V{IN}=30V) 時(shí)為3mVp - p，主要由輸出電容（C7）的ESR和電感的紋波電流決定。FB引腳所需的紋波電壓由R6、C10和C11產(chǎn)生。通過(guò)以下步驟計(jì)算R6、C10和C11的值：

1. 計(jì)算 (V{A}) ： [V{A}=V{OUT}-(V{SW} times (1 - (V{OUT}/V{IN})))] 對(duì)于該電路， (V_{A}) 計(jì)算為4.63V。
2. 計(jì)算R6 x C10的乘積： [R 6 × C 10=frac{(V{IN}-V{A}) × t{ON}}{Delta V}] 以 (t{ON}) 約為2600ns， (V_{IN}) 為8V， (Delta V) 為30mVp - p為例，計(jì)算得到 (R 6 × C 10 = 2.9 × 10^{-4}) 。然后從標(biāo)準(zhǔn)值組件中選擇R6和C10，例如C10為2700pF時(shí)，R6為110kΩ，C11選擇0.01μF。

中間紋波水平配置

這種配置比最小紋波配置產(chǎn)生更多的輸出紋波，但少用一個(gè)電容。如果應(yīng)用中可以容忍一定的紋波，這種配置更經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單。使用R4、C6和C9代替R6、C7、C8、C10和C11。R4用于在輸出端產(chǎn)生≥25mV - 30mVp - p的紋波，C9將紋波耦合到FB引腳，其最小值通過(guò)公式 (C 9=frac{ I_{ON (max )}}{(R 2 / R 3)}) 計(jì)算，對(duì)于該評(píng)估板，C9最小值為2080pF，輸出紋波在輸入電壓范圍內(nèi)為30mVp - p至50mVp - p。

最低成本配置

這種配置與中間紋波配置類似，但沒(méi)有C9。由于FB引腳需要25mVp - p的紋波，R4選擇產(chǎn)生50mV的輸出紋波，考慮到公差，R4使用1.0Ω。輸出紋波在輸入電壓范圍內(nèi)約為60mVp - p至100mVp - p。如果應(yīng)用可以容忍這種紋波水平，這是最經(jīng)濟(jì)的解決方案。如果C6有足夠的ESR，也可以不使用R4。

五、最小負(fù)載電流

LM2694需要約500μA的最小負(fù)載電流，以確保升壓電容（C5）在每個(gè)關(guān)斷期間充分充電。在該評(píng)估板中，反饋電阻（R2、R3）提供了最小負(fù)載電流，因此板子的最小負(fù)載電流可以指定為零。

六、電路性能

通過(guò)圖6 - 9可以了解評(píng)估板的性能，包括效率與負(fù)載電流、輸入電壓的關(guān)系，輸出電壓紋波以及開(kāi)關(guān)頻率與輸入電壓的關(guān)系。圖10顯示了電路各點(diǎn)的波形，圖11顯示了輸出對(duì)負(fù)載電流在200mA和400mA之間變化的響應(yīng)。圖12展示了使用示波器探頭測(cè)量輸出紋波和瞬態(tài)波形的首選方法，這種方法可以消除探頭接地引線可能拾取的噪聲和開(kāi)關(guān)尖峰。

七、PCB布局

評(píng)估板的PCB布局包括板絲印、頂層和底層視圖。合理的PCB布局對(duì)于電路性能至關(guān)重要，它可以減少電磁干擾，提高電路的穩(wěn)定性。

八、重要注意事項(xiàng)

德州儀器（TI）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。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(duì)其組件的性能提供保修，但不承擔(dān)應(yīng)用協(xié)助或買家產(chǎn)品設(shè)計(jì)的責(zé)任。買家負(fù)責(zé)其產(chǎn)品和應(yīng)用，應(yīng)提供足夠的設(shè)計(jì)和操作保障。TI不保證授予任何專利、版權(quán)或其他知識(shí)產(chǎn)權(quán)的許可，使用相關(guān)信息可能需要第三方或TI的許可。此外，TI對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景下的組件使用有明確規(guī)定，如在醫(yī)療、軍事、汽車等領(lǐng)域。

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