电子工程师必看：LM20133评估板设计全解析

在电子设计领域，电源管理一直是关键环节。今天，我们就来深入探讨一下TI公司的LM20133评估板，它在电源转换和管理方面有着出色的表现。

文件下载：LM20133EVAL.pdf

一、LM20133芯片特性

LM20133是一款功能全面的降压开关稳压器，能够驱动高达3A的负载电流。它具有时钟同步输入功能，可将开关频率同步到外部时钟源，同步范围为500kHz至1.5MHz，这不仅能减小功率级组件的尺寸，还能保证高效率。该芯片可将2.95V至5.5V的输入电压转换为低至0.8V的输出电压，具备逐周期电流限制、输出电源正常指示和输出过压保护等故障保护功能。此外，双功能软启动/跟踪引脚可控制启动响应，精确使能引脚便于在有排序要求的应用中对LM20133进行排序。它采用16引脚HTSSOP封装，带有外露焊盘以增强热性能。

二、评估板设计亮点

1. 尺寸与效率平衡：评估板采用两层PCB，尺寸约为1.3” x 1.1”，所有组件都放置在顶层。其功率级和补偿组件针对5V输入电压进行了优化，但测试时输入电压可在整个工作范围内变化。
2. 输出电压可调：评估板的标称输出电压为1.2V，通过更换反馈电阻 (R{FB 1}) 或 (R{FB 2}) ，可以轻松改变输出电压。
3. 稳定的控制回路：控制回路补偿设计旨在在整个输入和输出电压范围内提供稳定的解决方案，并具有合理的瞬态响应。
4. 使能条件：板上的EN引脚电压必须高于1.18V（典型值）才能启动开关。如果不需要EN功能，应将EN引脚外部连接到 (V_{IN}) 。

三、物料清单

评估板的物料清单涵盖了各种关键组件，以下是部分重要组件：	Designator	Description	Part Number	Qty	Manufacturer
U1	Synchronous Buck Regulator	LM20133	1	Texas Instruments
C IN	47 µF, 1210, X5R, 6.3 V	GRM32ER60J476ME20	1	Murata
L	2.5 µH, 10 m Ω	MSS1038-252NL	1	Coilcraft
R FB1	4.99 k Ω , 0603	CRCW06034991F-e3	1	Vishay-Dale

四、连接说明

Terminal Silkscreen	Description
V IN	输入电压，工作范围2.95V至5.5V，绝对最大电压6V。
GND	接地连接，PCB上有两个不同的GND连接，分别用于输入电源和负载。
V OUT	连接到电源输出电压，应连接到负载。
EN	连接到设备的使能引脚，可连接到 (V_{IN}) 或外部驱动，外部驱动时电压通常大于1.18V可使能设备，工作电压不超过5.5V，绝对最大电压6V。
SS/TRACK	提供对设备SS/TRK引脚的访问，大多数应用中不需要连接。如果用低于0.8V参考电压的外部电压源驱动，设备的反馈引脚将跟踪该引脚电压，正常工作时电压不超过5.5V，绝对最大电压6V。
PGOOD	连接到设备的电源正常输出，有一个10kΩ上拉电阻连接到输入电压，正常工作时电压不超过5.5V，绝对最大电压6V。
SYNC	连接到设备的SYNC引脚，若该引脚悬空，开关频率默认约为400kHz，正常工作时电压不超过5.5V，绝对最大电压6V。

五、组件选择

1. 输入电容

输入电容的RMS电流额定值可通过公式 (I{CIN(RMS) }=3 A sqrt{0.5 × 0.5}=1.5 A) 估算，最大 (I{CIN(RMS)}) 要求在3A满载电流且系统工作在50%占空比时出现。评估板选用了Murata的47µF X5R陶瓷电容，为了改善旁路效果，还并联了一个1µF的高频电容来过滤电源上的高频噪声脉冲。

2. (AV IN) 滤波器

为防止 (PV IN) 上的开关噪声干扰连接到 (AV IN) 的内部模拟电路，添加了由 (R{F}) 和 (C{F}) 组成的RC滤波器。 (R{F}) 选用1Ω电阻，以确保启用部件后不会触发UVLO比较器。1µF的 (C{F}) 电容与1Ω电阻配合，在1MHz开关频率下提供约16dB的衰减。

3. 电感器

根据公式 (Delta I{P . p}=frac{left(V{IN} cdot V{OUT }right) × D}{L × f{SW}}) 计算电感值，对于 (V{IN}=5 ~V) ， (V{OUT }=1.2V) ， (f{SYNC }=500 kHz) ， (I{OUT }=3 ~A) 的应用，标称电感值约为2.03uH，最终选择2.5µH的电感器，以平衡物理尺寸、效率和载流能力。

4. 输出电容

输出电容的值会影响输出电压的纹波和负载瞬态时的大信号输出电压响应。通过公式 (Delta V{OUT }=Delta I{P.P } xleft[R{ESR}+frac{1}{8 × f{SW} × C_{OUT }}right]) 可估算输出电压纹波。评估板选用Murata的47µF陶瓷电容，其ESR约为3mΩ，有效电容约为32µF，5V输入时输出的峰 - 峰电压纹波可计算为8mV。

5. (C_{ss})

软启动电容 (C{ss}) 用于控制LM20133电压调节器的启动时间，启动时间可通过公式 (t{S S}=frac{0.8 V × C{S S}}{I{S S}}) 估算。对于LM20133， (I{SS}) 标称值为5µA，评估板设计的软启动时间约为5ms，因此 (C{ss}) 电容值为33nF。

6. (C_{vcc})

(C_{vcc}) 电容用于旁路内部2.7V子稳压器，其大小应等于或大于1µF但小于10µF，对于大多数应用，1µF的值就足够了。

7. (C_{C 1})

(C{C 1}) 电容用于设置LM20133控制回路的交叉频率，评估板选择5.6nF的值以在全输入、输出电压和频率范围内良好工作。了解设备的工作条件后，可通过减小 (C{C 1}) 的值并计算 (R_{C 1}) 的值来优化瞬态响应。

8. (R_{C 1})

电阻 (R{C 1}) 用于在控制回路中设置一个零点以抵消输出滤波器极点，其大小可根据公式 (R{C 1}=left[frac{C{C 1}}{C{OUT }} timesleft[frac{I{OUT }}{V{OUT }}+frac{1-D}{f{SW} × L}+frac{15 × D}{V{IN}}right]right]^{-1}) 计算。

9. (C_{C 2})

在某些设计中， (C{C 2}) 电容可用于提供一个高频极点，以抵消输出电容ESR可能引入的零点。评估板上 (C{C 2}) 焊盘未焊接，因为输出使用的低ESR陶瓷电容在交叉频率之前不会为控制回路引入零点。如果更换为具有显著ESR的电容，可通过公式 (C{C 2}=frac{C{OUT } × R{ESR}}{R{C 1}}) 估算 (C_{C 2}) 的值。

10. (R{FB 1}) 和 (R{FB 2})

(R{FB 1}) 和 (R{FB 2}) 组成电压分压器，用于设置电压调节器的输出。评估板标称输出电压为1.2V时， (R{FB 1}=4.99 k Omega) ， (R{FB 2}=10 k Omega) 。如果需要不同的输出电压，可根据公式 (R{FB 1}=left(frac{V{OUT }}{0.8}-1right) × R{FB 2}) 调整 (R{FB 1}) 的值， (R_{FB 2}) 保持10kΩ不变。

六、PCB布局

评估板的PCB布局包括顶层和底层，合理的布局对于保证电路性能至关重要。在实际设计中，我们需要考虑组件的放置、布线的长度和宽度等因素，以减少干扰和提高稳定性。

七、注意事项

TI公司保留对其半导体产品和服务进行更改和停产的权利，购买者在下单前应获取最新相关信息并验证其准确性。TI对组件的性能提供保证，但不承担应用协助或买方产品设计的责任，买方需为自己的产品和应用负责。此外，TI组件在不同应用场景（如安全关键应用、医疗设备、军事/航空航天应用等）有特定的使用规定，使用时需严格遵守。

通过对LM20133评估板的详细分析，我们可以看到它在电源管理方面的优势和设计要点。在实际应用中，电子工程师可以根据具体需求对组件进行选择和调整，以实现最佳的性能。你在使用类似评估板时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。