深入解析LM20146評(píng)估板：設(shè)計(jì)、應(yīng)用與性能

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理芯片的性能與應(yīng)用一直是工程師們關(guān)注的焦點(diǎn)。今天，我們就來(lái)深入探討TI的LM20146評(píng)估板，看看它在電源設(shè)計(jì)中能為我們帶來(lái)哪些便利和優(yōu)勢(shì)。

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一、LM20146芯片概述

LM20146是一款功能全面的同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，能驅(qū)動(dòng)高達(dá)6A的負(fù)載電流。它的工作頻率可在250kHz至750kHz之間調(diào)整，這為設(shè)計(jì)者在選擇組件時(shí)提供了很大的靈活性。該芯片能將2.95V至5.5V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為低至0.8V的輸出電壓，具備逐周期電流限制、輸出電源良好指示和輸出過(guò)壓保護(hù)等故障保護(hù)功能。其雙功能軟啟動(dòng)/跟蹤引腳可控制啟動(dòng)響應(yīng)，精確使能引腳便于在關(guān)鍵應(yīng)用中進(jìn)行順序控制。芯片采用16引腳HTSSOP封裝，并帶有外露焊盤以增強(qiáng)熱性能。

這里大家可以思考一下，這種頻率可調(diào)的特性在實(shí)際應(yīng)用中能為我們解決哪些問(wèn)題呢？

二、評(píng)估板設(shè)計(jì)特點(diǎn)

LM20146評(píng)估板旨在平衡整體解決方案尺寸和瞬態(tài)響應(yīng)。它采用四層PCB，尺寸為1.5” × 1.5”，所有組件都放置在頂層。功率級(jí)和補(bǔ)償組件針對(duì)5V輸入電壓進(jìn)行了優(yōu)化，但為了測(cè)試目的，輸入電壓可在整個(gè)工作范圍內(nèi)變化。評(píng)估板的標(biāo)稱輸出電壓為1.2V，通過(guò)更換反饋電阻（ (R{FB 1}) 或 (R{FB 2}) ）可輕松改變輸出電壓?？刂骗h(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)旨在在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的解決方案，并具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)。EN引腳通過(guò)10kΩ電阻連接到 (V_{IN}) ，可通過(guò)使能測(cè)試點(diǎn)直接切換。

在設(shè)計(jì)評(píng)估板時(shí)，平衡尺寸和性能是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，大家在自己的設(shè)計(jì)中是如何應(yīng)對(duì)這個(gè)問(wèn)題的呢？

三、連接描述

大家在實(shí)際連接時(shí)，一定要注意這些引腳的電壓范圍和連接要求，避免因連接不當(dāng)導(dǎo)致設(shè)備損壞。

四、組件選擇

輸入電容

對(duì)于降壓穩(wěn)壓器，輸入電容的所需RMS電流額定值可通過(guò)公式估算。在全6A負(fù)載電流且系統(tǒng)以50%占空比運(yùn)行時(shí)， (I{LIN(RMS)}) 需求最大。陶瓷電容具有小尺寸和大 (I{RMS}) 額定值的特點(diǎn)，評(píng)估板選用了TDK的100μF X5R陶瓷電容作為輸入電容。

AVIN濾波器

為防止PVIN上的開關(guān)噪聲干擾連接到AVIN的內(nèi)部模擬電路，應(yīng)添加RC濾波器（ (R{F}) 和 (C{F}) ）。由于AVIN引腳在啟動(dòng)期間會(huì)有60mA的短時(shí)電流脈沖， (R{F}) 不能太大，否則可能觸發(fā)UVLO比較器。評(píng)估板使用1.0Ω電阻作為 (R{F}) ，并建議使用1.0μF電容與1.0Ω電阻配合，以過(guò)濾AVIN的輸入。

電感

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)建議，電感值應(yīng)選擇為使峰峰值紋波電流約為最大輸出電流的30%。通過(guò)公式計(jì)算，對(duì)于 (V{IN}=5V) 、 (V{OUT}=1.2V) 、 (f{sw}=750kHz) 和 (I{OUT}=6A) 的情況，標(biāo)稱電感值約為0.68μH。評(píng)估板選用了TDK的SPM6530T - R68M140電感，它在效率、尺寸和飽和電流額定值之間取得了良好的平衡。如果輸出電壓增加或開關(guān)頻率降低，可能會(huì)使設(shè)備在6A輸出時(shí)達(dá)到電流限制，此時(shí)應(yīng)增加電感值以降低紋波電流。

輸出電容

輸出電容的值會(huì)影響輸出電壓的紋波和負(fù)載瞬態(tài)時(shí)的大信號(hào)輸出電壓響應(yīng)。通過(guò)公式可以近似計(jì)算輸出電壓紋波。評(píng)估板選用了TDK的100μF陶瓷電容作為輸出電容，其ESR約為3mΩ，有效電路電容約為60μF。在5V輸入下運(yùn)行時(shí)，輸出的峰峰值電壓紋波約為10mV。

(C_{ss})

軟啟動(dòng)電容可用于控制LM20146的啟動(dòng)時(shí)間，啟動(dòng)時(shí)間可通過(guò)公式估算。對(duì)于評(píng)估板，軟啟動(dòng)時(shí)間設(shè)計(jì)為約5ms，因此 (C_{ss}) 電容值為33nF。

(C_{vcc})

(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，大多數(shù)應(yīng)用中1μF的值就足夠了。

(C_{ct})

電容 (C{C 1}) 用于設(shè)置LM20146控制環(huán)路的交叉頻率。由于該板在全輸入和輸出電壓范圍內(nèi)進(jìn)行了優(yōu)化， (C{C 1}) 的值選擇為1.2nF。在確定設(shè)備的工作條件后，可以通過(guò)減小 (C{C 1}) 的值并計(jì)算 (R{C 1}) 的值來(lái)優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)。

(R_{ct})

選擇 (C{C 1}) 的值后，電阻 (R{C 1}) 用于在控制環(huán)路中放置一個(gè)零點(diǎn)，以抵消輸出濾波器極點(diǎn)。其大小可根據(jù)公式計(jì)算。為了穩(wěn)定性，應(yīng)針對(duì)應(yīng)用中預(yù)期的最大輸出電流對(duì)設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償。

(C_{C 2})

在某些設(shè)計(jì)中，第二個(gè)補(bǔ)償電容 (C{C 2}) 可用于提供一個(gè)高頻極點(diǎn)，以抵消輸出電容ESR可能引入的零點(diǎn)。評(píng)估板上 (C{C 2}) 焊盤未填充，因?yàn)檩敵鍪褂玫牡虴SR陶瓷電容在交叉頻率之前不會(huì)為控制環(huán)路貢獻(xiàn)零點(diǎn)。如果更換為具有顯著ESR的電容，可以通過(guò)公式估算 (C_{C 2}) 的所需值。

(R{FB 1}) 和 (R{FB 2})

電阻 (R{FB 1}) 和 (R{FB 2}) 構(gòu)成一個(gè)分壓器，用于設(shè)置電壓調(diào)節(jié)器的輸出。評(píng)估板的標(biāo)稱輸出電壓為1.2V，此時(shí) (R{FB 1}=4.99kΩ) ， (R{FB 2}=10.0kΩ) 。如果需要不同的輸出電壓，可以根據(jù)公式調(diào)整 (R{FB 1}) 的值， (R{FB 2}) 的值保持10.0kΩ不變。

在選擇這些組件時(shí)，大家是否有自己獨(dú)特的經(jīng)驗(yàn)和方法呢？

五、物料清單

六、性能特性與PCB布局

評(píng)估板的性能特性與PCB布局密切相關(guān)。從提供的各層PCB布局圖（頂層、中間層1、中間層2和底層）可以看出，合理的布局有助于提高評(píng)估板的性能和穩(wěn)定性。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，大家可以參考這些布局，結(jié)合自己的需求進(jìn)行優(yōu)化。

七、重要注意事項(xiàng)

TI公司對(duì)其半導(dǎo)體產(chǎn)品保留進(jìn)行修正、改進(jìn)和變更的權(quán)利，并可能根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)停止某些產(chǎn)品或服務(wù)。購(gòu)買者在下單前應(yīng)獲取最新相關(guān)信息，并驗(yàn)證其準(zhǔn)確性和完整性。TI對(duì)其組件的性能提供保修，但測(cè)試并非對(duì)每個(gè)組件的所有參數(shù)都進(jìn)行。TI不承擔(dān)應(yīng)用協(xié)助或買家產(chǎn)品設(shè)計(jì)的責(zé)任，買家應(yīng)對(duì)自己的產(chǎn)品和應(yīng)用負(fù)責(zé)。此外，TI對(duì)組件在不同應(yīng)用場(chǎng)景（如醫(yī)療、軍事、汽車等）有特定的授權(quán)和要求，使用時(shí)需注意遵守相關(guān)規(guī)定。

通過(guò)對(duì)LM20146評(píng)估板的詳細(xì)解析，我們可以看到它在電源設(shè)計(jì)方面的諸多優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。希望這篇文章能為電子工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)類似電源系統(tǒng)時(shí)提供一些參考和幫助。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。