探索 RTKA210030DR0000BU 演示板：高效電源解決方案

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源模塊的性能和適用性至關(guān)重要。今天我們要深入了解的 RTKA210030DR0000BU 演示板，就是一款專為滿足特定需求而設(shè)計(jì)的優(yōu)秀電源解決方案。

文件下載：Renesas Electronics RAA210030演示板（RTKA210030DR0000BU）.pdf

一、演示板概述

RTKA210030DR0000BU 演示板以 RAA210030 為核心。RAA210030 是一款緊湊的同步降壓、非隔離式完整電源，能提供高達(dá) 3A 的連續(xù)電流，非常適合空間受限的應(yīng)用。它采用峰值電流模式 PWM 控制方案，具有快速瞬態(tài)響應(yīng)和出色的環(huán)路穩(wěn)定性。其開(kāi)關(guān)頻率可通過(guò)外部電阻或 SYNC 引腳同步到外部時(shí)鐘，在 500kHz 至 4MHz 之間進(jìn)行編程。

演示板是一塊 1×1 英寸的 4 層 FR4 板，外層為 2oz 銅，內(nèi)層為 1oz 銅，這種設(shè)計(jì)優(yōu)化了完整電源模塊解決方案的尺寸。它可在 2.7V 至 5.5V 的單輸入電源軌下工作，輸出電壓可調(diào)至 0.6V，效率高達(dá) 95%，在不同線路、負(fù)載和溫度條件下，精度優(yōu)于 ±1.5%。板上還設(shè)有專用的使能引腳和功率良好標(biāo)志，方便進(jìn)行系統(tǒng)電源軌排序。默認(rèn)情況下，該板設(shè)置為 1.8V 輸出電壓，開(kāi)關(guān)頻率為 2MHz。

二、功能特性亮點(diǎn)

1. 寬輸入電壓范圍

2.7V 至 5.5V 的寬輸入電壓范圍，使得該演示板能夠適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境，增加了其在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的通用性。

2. 可調(diào)輸出電壓與高精度

輸出電壓可低至 0.6V，并且在各種條件下精度能保持在 ±1.5%，這對(duì)于對(duì)電壓精度要求較高的設(shè)備來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，能夠確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

3. 高轉(zhuǎn)換效率

高達(dá) 95%的轉(zhuǎn)換效率，意味著在電源轉(zhuǎn)換過(guò)程中能夠減少能量損耗，降低發(fā)熱，提高整個(gè)系統(tǒng)的能效。

4. 其他特性

100%占空比、內(nèi)部 1ms 軟啟動(dòng)時(shí)間、預(yù)偏置輸出啟動(dòng)、外部頻率同步（最高 4MHz）、專用使能引腳和 PGOOD 標(biāo)志以及多種保護(hù)功能（UVLO、過(guò)流、負(fù)過(guò)流、過(guò)壓和過(guò)溫保護(hù)），這些特性進(jìn)一步增強(qiáng)了演示板的性能和可靠性。

三、規(guī)格參數(shù)

演示板針對(duì)以下工作條件進(jìn)行了配置和優(yōu)化：

• 輸入電壓（$V_{IN}$）：2.7V 至 5.5V
• 輸出電壓（$V_{OUT}$）：1.8V
• 最大輸出電流（$I_{OUT - MAX}$）：3A
• 開(kāi)關(guān)頻率（$f_{SW}$）：2MHz

四、功能描述與操作

1. 功能實(shí)現(xiàn)方式

演示板提供外圍電路來(lái)展示 RAA210030 的功能集。通過(guò)移動(dòng) J4.3 - J4.6 上的跳線來(lái)啟用或禁用模塊；移除 SYNC 引腳的上拉電阻 $R_{3}$ 并將信號(hào)發(fā)生器連接到 J3.2 的 SYNC 引腳，可選擇外部頻率同步功能；通過(guò)改變電阻來(lái)編程輸出電壓（0.6V - 5V）和開(kāi)關(guān)頻率（500kHz 至 4MHz）。

2. 推薦測(cè)試設(shè)備

為了對(duì)演示板進(jìn)行測(cè)試，需要以下設(shè)備：

• 0V 至 5.5V 電源，源電流能力至少為 3A
• 能夠吸收高達(dá) 3A 電流的電子負(fù)載
• 數(shù)字萬(wàn)用表（DMMs）
• 帶寬高于 100MHz 的示波器

  3. 快速測(cè)試指南

  測(cè)試過(guò)程如下：

  1. 連接 J4 上 EN 引腳的 3 和 4 跳線，禁用模塊。
  2. 使用合適的電纜將直流輸入電源連接到香蕉插座 J1.1 - 2 和 J1.5 - 6，將電子負(fù)載連接到插座 J2.5 - 6 和 J2.1 - 2，確保電源極性正確且輸入電壓在模塊工作范圍內(nèi)（2.7V - 5.5V），使用測(cè)試點(diǎn) J3.6（$V_{IN}$）和 J3.5（PGND）準(zhǔn)確測(cè)量輸入電壓。
  3. 打開(kāi)輸入電源。
  4. 連接 J4 上 EN 引腳的 5 和 6 跳線，啟用模塊。
  5. 若要啟用外部頻率同步，移除 SYNC 引腳的上拉電阻 $R{3}$ 并將外部時(shí)鐘連接到 J3.2（SYNC），確保外部 SYNC 頻率在 $R{2}$ 在 FS 引腳設(shè)置的開(kāi)關(guān)頻率的 ±25% 范圍內(nèi)。
  6. 探測(cè)測(cè)試點(diǎn) J4.1（$V_{OUT}$）和 J4.2（PGND）觀察輸出電壓，輸出電壓應(yīng)為 1.8V。
  7. 在指定范圍內(nèi)調(diào)整輸入電壓 $V_{IN}$，觀察輸出電壓，其變化應(yīng)在 ±1.5% 以內(nèi)。
  8. 在指定范圍內(nèi)（0 - 3A）調(diào)整負(fù)載電流，觀察輸出電壓，其變化應(yīng)在 ±1.5% 以內(nèi)。
  9. 若要更改 $V{OUT}$，斷開(kāi)演示板與設(shè)置的連接，在頂層的 $R{10}$ 和 $R_{11}$ 位置安裝標(biāo)準(zhǔn) 0402 電阻，可參考 RAA210030 數(shù)據(jù)表中的輸出電壓電阻設(shè)置表。
  10. 移除上拉電阻 $R{1}$ 并在頂層的 $R{2}$ 位置安裝標(biāo)準(zhǔn) 0402 電阻來(lái)修改開(kāi)關(guān)頻率，可參考 RAA210030 數(shù)據(jù)表中的公式選擇合適的 $R_{2}$ 值。

4. 熱考慮和電流降額

為確保模塊安全運(yùn)行并提供最大允許功率，電路板布局至關(guān)重要。在高溫環(huán)境下，為使電路板正常工作并承載滿負(fù)載電流，需精心設(shè)計(jì)布局以提高熱性能，例如使用足夠的走線寬度、銅重量和合適的連接器。RTKA210030DR0000BU 演示板在室溫下無(wú)需額外冷卻系統(tǒng)即可在 3A 滿負(fù)載電流下運(yùn)行，但在高溫環(huán)境下可能需要降額輸出電流，可參考 RAA210030 數(shù)據(jù)表中的降額電流曲線來(lái)確定最大輸出電流。

五、電路板設(shè)計(jì)

1. 布局指南

該演示板是 1x1 英寸的四層 FR - 4 板，其布局經(jīng)過(guò)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)緊湊的完整電源模塊解決方案尺寸、良好的電氣和熱性能。對(duì)于涉及 RTKA210030DR0000BU 的設(shè)計(jì)，可參考以下布局設(shè)計(jì)技巧：

• 輸入陶瓷電容器的放置：將輸入陶瓷電容器盡可能靠近模塊輸入放置，以減少功率環(huán)路的寄生電感，降低高頻噪聲。推薦使用 X5R 或更好的電介質(zhì)，模塊輸入處的總電容至少為 22μF。
• 銅平面的使用：使用大銅平面來(lái)減少 $V{IN}$、$V{OUT}$ 和 PGND 的傳導(dǎo)損耗和熱應(yīng)力，并使用多個(gè)過(guò)孔連接不同層的電源平面。
• SGND 平面的處理：為連接到 SGND 的組件使用單獨(dú)的 SGND 平面，并在頂層的單點(diǎn)將 SGND 和 PGND 連接。
• 遠(yuǎn)程感應(yīng)走線：使用遠(yuǎn)程感應(yīng)走線連接到負(fù)載點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)精確的輸出電壓調(diào)節(jié)。將遠(yuǎn)程感應(yīng)走線布設(shè)在 PGND 層下方，避免靠近噪聲平面，并在輸出電壓電阻分壓器和 FB 引腳附近放置一個(gè)可選的 2Ω 電阻來(lái)抑制走線上的噪聲。

  2. 原理圖和物料清單

  文檔中提供了 RTKA210030DR0000BU 的原理圖，同時(shí)還列出了物料清單，包括每個(gè)元件的數(shù)量、參考設(shè)計(jì)編號(hào)、制造商和零件編號(hào)等信息。

  3. 電路板布局圖

  文檔中展示了電路板的各層布局圖，包括絲印頂層、頂層、第二層、第三層、第四層和絲印底層等，方便工程師進(jìn)行參考和設(shè)計(jì)。

六、典型性能圖表

文檔中提供了在 +25°C 環(huán)境和自由空氣 0LFM 條件下，使用 RTKA210030DR0000BU 演示板獲取的典型性能圖表，包括不同輸入電壓下的效率與負(fù)載電流關(guān)系、輸出紋波、瞬態(tài)響應(yīng)、啟動(dòng)波形、外部頻率同步波形和降額曲線等。這些圖表為工程師評(píng)估演示板在不同工作條件下的性能提供了重要參考。

七、訂購(gòu)信息和修訂歷史

文檔中提供了演示板的訂購(gòu)信息，該演示板為 RAA210030 5V,3A 電源模塊演示板。同時(shí)還列出了修訂歷史，該文檔的初始版本于 2022 年 5 月 28 日發(fā)布。

RTKA210030DR0000BU 演示板憑借其豐富的功能、出色的性能和優(yōu)化的設(shè)計(jì)，為電子工程師在電源設(shè)計(jì)方面提供了一個(gè)可靠的解決方案。通過(guò)深入了解其特性、操作方法和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，工程師們能夠更好地將其應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源供應(yīng)。大家在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，有沒(méi)有遇到過(guò)類似電源模塊的其他問(wèn)題呢？歡迎一起交流探討。