深入解析LM2675：高效降压电源转换器的设计与应用

在电子工程师的日常设计工作中，电源管理是一个至关重要的环节。而LM2675作为一款高性能的降压电源转换器，凭借其出色的性能和广泛的应用场景，成为了众多工程师的首选。今天，我们就来深入探讨一下LM2675的特点、应用以及设计要点。

文件下载：LM2675M-5.0.pdf

一、LM2675概述

LM2675是德州仪器（TI）推出的一款SIMPLE SWITCHER®系列电源转换器，属于单芯片集成DC - DC转换电路，采用LMDMOS工艺制造。它能够提供降压（buck）开关调节器所需的所有有源功能，可驱动高达1A的负载电流，同时具备出色的线路和负载调节能力。

1.1 主要特性

• 高效节能：效率最高可达96%，能有效降低功耗，提高能源利用率。
• 多种封装形式：提供8引脚SOIC、PDIP和16引脚WSON封装，满足不同的应用需求。
• 外部元件少：仅需5个外部元件，简化了设计过程，降低了成本。
• 多输出版本：有3.3V、5V、12V固定输出版本以及可调输出版本，输出电压范围为1.21V至37V，±1.5%的最大输出电压容差，确保了输出电压的稳定性。
• 宽输入电压范围：输入电压范围为8V至40V，适应多种电源环境。
• 固定频率振荡器：内置260kHz固定频率内部振荡器，允许使用更小尺寸的滤波元件。
• 保护功能完善：具备TTL关断能力、低功耗待机模式、热关断和电流限制保护，提高了系统的可靠性。

1.2 应用场景

• 高效降压调节器：可作为简单高效（>90%）的降压（buck）调节器，将较高的直流电压转换为较低的直流电压。
• 线性调节器的预调节器：为线性调节器提供高效的预调节，提高整个电源系统的效率。
• 正负转换器：实现正电压到负电压的转换。

二、LM2675的详细参数与特性

2.1 绝对最大额定值

在推荐的工作结温范围（-40°C至125°C）内，LM2675有一系列的绝对最大额定值，如FB引脚电压范围为 - 0.3V至14V等。超出这些额定值可能会对器件造成永久性损坏，因此在设计时必须严格遵守。

2.2 ESD额定值

人体模型（HBM）的ESD额定值为±2000V，JEDEC文档JEP155指出，500V HBM允许在标准ESD控制过程下进行安全制造。在使用和处理LM2675时，要注意静电防护，避免静电对器件造成损害。

2.3 推荐工作条件

输入电压范围为6.5V至40V，以确保器件的正常工作。同时，不同封装的热阻特性也有所不同，例如WSON封装的结到环境热阻（RθJA）具体取决于PCB走线面积、走线材料、层数和热过孔等因素。

2.4 电气特性

针对不同的输出电压版本（3.3V、5V、12V和可调版本），LM2675有详细的电气特性参数。以5V输出版本为例，在25°C时，输出电压典型值为5V，在 - 40°C至125°C的温度范围内，输出电压范围为4.85V至5.15V。效率方面，在输入电压为12V、负载电流为1A时，典型效率可达90%。

2.5 典型特性曲线

文档中给出了一系列典型特性曲线，如归一化输出电压、线路调节、效率、漏源电阻、开关电流限制、工作静态电流、待机静态电流等随温度或输入电压的变化曲线。这些曲线有助于工程师在设计时更好地了解器件的性能，优化设计方案。

三、LM2675的功能与工作模式

3.1 可调输出电压功能

LM2675的可调输出版本通过电压调节环路来调节输出电压，通过一个电阻分压器将输出电压 (V{OUT}) 与FB引脚电压 (V{FB}) 进行关联。内部参考电压 (V_{REF}) 典型值为1.21V，通过选择合适的R1和R2电阻值，可以将输出电压编程为所需的值。在设计时，要注意电阻分压器的连接和布线，避免反馈环路中断或引入噪声。

3.2 设备功能模式

• 关机模式：当ON/OFF引脚电压低于1.4V时，设备进入关机模式，典型待机电流为20μA，可有效降低功耗。
• 激活模式：当ON/OFF引脚电压高于1.4V时，设备开始切换，输出电压上升直至达到正常调节电压。

四、LM2675的应用与设计

4.1 应用信息

LM2675主要用于将较高的直流电压转换为较低的直流电压，最大输出电流为1A。在设计时，当输出电压大于约6V且最小输入电压下的占空比大于约50%时，要谨慎选择输出滤波组件，以避免出现电流限制滞后现象。在电流限制条件下，LM2675会采取相应的措施来保护器件，如立即终止ON脉冲、降低占空比以避免次谐波振荡等。

4.2 典型应用设计

4.2.1 固定输出电压应用

以5V固定输出电压应用为例，设计要求包括调节输出电压为5V、最大输入电压为12V、最大负载电流为1A。详细设计步骤如下：

• 电感选择：根据输入电压和负载电流，从电感值选择指南中确定合适的电感值和电感代码，如在输入电压为12V、负载电流为1A时，选择33μH的电感（电感代码为L23），并从制造商的列表中选择合适的电感型号。
• 输出电容选择：根据输出电压和电感值，从输出电容表中选择合适的电容值和电压额定值，如对于33μH的电感，可选择68μF、10V的表面贴装电容或220μF、35V的通孔电容。
• 续流二极管选择：正常工作时，续流二极管的平均电流为负载电流乘以其占空比（1 - D），其电流额定值至少为最大平均电流的1.3倍。在短路情况下，二极管的电流额定值应等于LM2675的最大电流限制。推荐使用肖特基二极管，其反向电压额定值至少为最大输入电压的1.25倍。
• 输入电容选择：在输入引脚和地之间需要一个低ESR的铝或钽旁路电容，以防止输入出现大的电压瞬变。电容的RMS电流额定值至少为直流负载电流的一半，同时要根据输入电压选择合适的电压额定值。
• 升压电容选择：所有应用都必须使用0.01μF、50V的陶瓷电容，以提供足够的电压来完全开启开关栅极。

4.2.2 可调输出电压应用

以调节输出电压为20V、最大输入电压为28V、最大负载电流为1A为例，设计步骤如下：

• 编程输出电压：通过公式 (V{OUT}=V{REF}(1 + frac{R{2}}{R{1}})) 选择合适的R1和R2电阻值，其中 (V_{REF}=1.21V)。选择R1为1kΩ、1%精度的电阻，计算得出R2约为15.4kΩ。
• 电感选择：通过计算电感的伏 - 微秒常数 (E×T)，并结合最大负载电流，从电感值选择指南中确定合适的电感值和电感代码，如选择68μH的电感（电感代码为L30）。
• 输出电容选择：根据电感值和输出电压，从电容代码选择指南中确定电容代码，再从输出电容选择表中选择合适的电容值和电压额定值。
• 续流二极管选择：与固定输出电压应用类似，根据负载电流和输入电压选择合适的肖特基二极管。
• 输入电容选择：同样需要一个低ESR的旁路电容，满足RMS电流额定值和电压额定值的要求。
• 升压电容选择：使用0.01μF、50V的陶瓷电容。

五、布局与设计注意事项

5.1 布局准则

在开关调节器设计中，布局非常重要。为了减少电感和接地环路的影响，应将粗线表示的线路设计为宽的印刷电路走线，并尽量缩短长度。外部组件应尽可能靠近开关IC放置，采用接地平面结构或单点接地。如果使用开芯电感，要特别注意其位置和方向，避免电感磁通与敏感反馈、IC接地路径和输出电容布线相交。对于可调版本，要注意反馈电阻的位置和布线，将电阻靠近IC放置，并远离电感。

5.2 布局示例

文档中给出了固定输出和可调输出的典型表面贴装PCB板布局示例，为工程师提供了参考。

六、总结

LM2675作为一款高性能的降压电源转换器，具有高效、灵活、可靠等优点。通过合理的设计和布局，可以充分发挥其性能，满足各种应用场景的需求。在实际设计过程中，工程师需要根据具体的应用要求，仔细选择外部组件，注意布局和布线，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用LM2675的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。