探索ADP1621评估板：从设计到应用的深度解析

在电子工程师的日常工作中，一款性能优良的评估板对于电路设计和测试至关重要。今天，我们就来深入探讨一下ANALOG DEVICES的ADP1621评估板，看看它在实际应用中的表现以及设计要点。

文件下载：ADP1621-EVALZ.pdf

评估板概述

ADP1621评估板主要用于评估ADP1621这款固定频率、脉冲宽度调制（PWM）、电流模式的升压转换器控制器。该评估板的输入范围为3.0 V至3.6 V，输出电压为5 V，最大负载电流可达2 A。其采用自举配置设计，开关频率通过一个36 kΩ的电阻设置为600 kHz。

关键组件选择

占空比计算

占空比是开关电源设计中的重要参数，计算公式为(D=frac{V{OUT }+V{D}-V{I N}}{V{OUT }+V{D}})。在输入电压(V{IN}=3.3 V)，输出电压(V{OUT }=5 V)，假设二极管正向压降(V{D})约为0.5 V时，计算得出占空比约为40%。

反馈电阻

反馈电阻用于设置输出电压，公式为(V{OUT }=1.215 V timesleft(1+frac{R1}{R2}right))。当(V{OUT }=5 V)且(R2 = 5.6 kΩ)时，计算可得(R1)为17.4 kΩ。

电感选择

电感的选择需要考虑平均电感电流和纹波电流。平均电感电流(I{L, A V E}=frac{I{L O A D}}{1 - D})，在负载电流(I{LOAD}=2 A)，占空比(D = 0.4)时，(I{L, A V E})计算为3.33 A。为了减小电感尺寸和输出电容，开关频率设置为600 kHz。通过公式(L=frac{V{I N} × D times(1 - D)}{0.3 × f{S W} × I_{L O A D, M A X}})计算得出电感值为2.2 μH，实际选择了2.5 μH的电感，同时要确保所选电感能够承受3.33 A的平均直流电流和至少4 A的峰值电流。

输入电容

输入电容选择了47 μF、6.3 V的Murata GRM31CR60J476M陶瓷电容，因为陶瓷电容具有非常低的ESR（几mΩ）。如果负载电流大于2 A，则需要更大的输入电容来降低输入纹波电流。

输出电容

输出电容的选择需要考虑输出电压纹波。通过设置输出电压纹波为输出电压的1%（50 mV），使用ESR为2 mΩ和ESL为100 nH的参数，计算得出最小所需的(C_{OUT})为20 μF。评估板选择了四个10 μF/16 V（尺寸1210）的陶瓷电容。

二极管

二极管在MOSFET关断时将电感电流传导至输出电容和负载。平均二极管电流等于负载电流，在2 A负载下，计算得出二极管的均方根电流(I_{D I O D E, R M S})为2.6 A，选择了Vishay SSA33L的SMA封装二极管。

MOSFET

MOSFET的选择基于阈值电压(V{T})、导通电阻(R{DSON})、最大电压和电流额定值以及栅极电荷等参数。在负载电流(I{LOAD}=2 A)，占空比(D = 0.4)时，计算得出MOSFET的均方根电流(I{RMS,MOSFET })为2.1 A。选择了IRF7470这款40 V的n沟道功率MOSFET，它具有低(R_{DSON})和栅极电荷。

环路补偿

环路补偿对于稳定调节器至关重要。右半平面（RHP）零频率的计算公式为(f{Z, R H P}=(1 - D)^{2} × frac{R{L O A D}}{2 pi × L})，在(V{OUT }=5 V)，2 A负载下，计算得出(f{Z, RHP})为57.3 kHz。为了稳定调节器，确保调节器的交叉频率(f{C}) ≤ 1/5的RHP零频率且 ≤ 1/15的开关频率。最终计算得出(f{C})为40 kHz，环路补偿组件(R{COMP}=33 kΩ)和(C{COMP}=490 pF)。

斜率补偿

斜率补偿电阻(R{S}=142 Ω)，通过公式(R{S}>frac{R{CS} timesleft(V{OUT }+V{D}-V{I N}right) timesleft(1 - t{OFF, MIN } × f{S W}right)}{2 × I{S C, P K} × f{S W} × L})计算得出。

电流限制

ADP1621的电流限制通过COMP电压钳位来限制峰值电感电流。峰值电感电流(I{L, PK})和最大负载电流(I{LOAD, MAX})都有相应的计算公式。对于该评估板，计算得出电流限制(I_{LOAD, MAX})约为4 A，但由于二极管SSA33L的额定电流限制，评估板的最大负载电流设计为2 A。

测试波形分析

评估板提供了多种测试波形，包括效率与负载电流的关系、不同负载下的输出电压纹波、电感电流和漏极电压波形等。通过这些波形可以直观地了解评估板在不同负载条件下的性能表现。

PCB布局指南

PCB布局对于开关调节器的性能至关重要。良好的布局可以提高效率、改善调节性能和稳定性。在设计PCB时，需要遵循以下准则：

1. 保持低ESR输入电容(C_{IN})靠近IN、PIN和PGND。
2. 尽可能缩短高电流路径，减少寄生电感。
3. 尽量缩短高电流迹线的长度并增加宽度，以降低寄生电感和电磁干扰（EMI）。
4. 将反馈电阻尽可能靠近FB引脚，防止高频开关噪声注入。
5. 确保MOSFET的漏极靠近电感，源极直接连接到电源GND平面。
6. 最小化GATE引脚与MOSFET栅极之间的PCB迹线长度，可适当增加电阻来减少过冲和振铃。

其他配置

评估板可以很容易地进行修改，以适应不同的输入电压和输出电压选项。例如，对于非自举配置，可以将RA9设置为0 Ω并移除RB9；对于输入电压高于6 V的情况，可以使用NPN晶体管Q1和R7组成LDO来降低输入电压；对于输出电压高于28 V的情况，需要将CS引脚连接到电流 sense电阻R11。

总结

ADP1621评估板为工程师提供了一个方便的平台来评估ADP1621控制器的性能。通过合理选择组件、优化PCB布局和进行适当的补偿，可以实现高效、稳定的升压转换。在实际应用中，工程师可以根据具体需求对评估板进行调整和优化，以满足不同的设计要求。你在使用类似评估板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。