探索LM21305 POL模块：高效DC - DC解决方案

在电子设计领域，DC - DC点负载（POL）解决方案对于为各种电子设备提供稳定、高效的电源至关重要。今天，我们就来深入了解德州仪器（TI）的LM21305 POL演示模块和参考设计，看看它能为我们带来哪些惊喜。

文件下载：LM21305DEMO/NOPB.pdf

一、LM21305模块概述

LM21305同步降压开关稳压器板载模块是一个完整且易于使用的DC - DC点负载解决方案。它能够驱动高达5A的负载电流，具有出色的转换效率、输出电压精度、负载和线性调整率。该模块的输入电压范围为3V至18V，可提供低至0.598V的可调且精确的输出电压。

设计特点

• 平衡尺寸与效率：在设计过程中，该模块兼顾了整体解决方案的尺寸和稳压器效率，展现出高电流密度。其功率级针对12V输入电压和500kHz开关频率进行了优化。
• 输出电压调整：默认输出电压为1.8V，但可通过修改反馈电阻轻松重新定义。此外，通过在TRIM引脚和GND或VOUT之间连接电阻，还能分别上调或下调输出电压。
• 控制环路补偿：为了实现快速的负载瞬态响应和在整个输入电压范围内的稳定运行，电流模式控制环路的补偿设计提供了50kHz的环路带宽和60°的相位裕度。
• 引脚功能：Enable（EN）和Power Good（PGOOD）引脚可用于在具有多个电压轨和明确排序要求的电源系统中轻松配置LM21305。

二、POL模块特性

电气性能

• 输出电流范围：0A至5A，能满足多种负载需求。
• 输入电压范围：3V至18V，无需外部偏置电源。
• 效率表现：在3.3V/5A时效率达90%，在1.8V/5A时效率为85%。

其他特性

• 全陶瓷电容设计：有助于提高稳定性。
• 可编程输入欠压锁定（UVLO）：通过精密使能实现。
• 固定开关频率：500kHz默认开关频率，可通过SYNC引脚调整，具有可预测的EMI特性，便于滤波。
• 可选AVIN外部偏置输入：如果系统有5V电源可用。

三、POL模块封装亮点

• 小巧尺寸：0.9” x 0.7”（22.8 mm x 17.8 mm）的小型化外形。
• 引脚设计：0.04”直径引脚（带有固有支座），用于PVIN、VOUT、GND、TRIM、SYNC、EN、PGOOD和AVIN。
• PCB结构：4层标准FR4层压PCB，顶层、底层和两个内层均为2oz/ft²（70 µm）铜厚，整体PCB厚度为62 mil（0.062”，1.6 mm）。

四、LM21305调节器IC特性

• 集成MOSFET：集成了低RDSon、低QG的高端和低端功率MOSFET（分别为44 mΩ和22 mΩ）。
• 优化的栅极驱动器：实现低开关死区时间，便于高效高频操作。
• 启动特性：可在预偏置负载下实现真正的单调启动。
• 反馈精度：在全结温范围TJ = -40°C至125°C内，反馈（FB）电压精度为±1.6%。
• 控制模式：峰值电流模式控制，具有逐周期电流限制。
• 其他特性：输出功率良好标志、电阻可调开关频率（300 kHz至1.5 MHz）、频率同步、轻载时的二极管仿真模式、带迟滞的精密使能、输出过压保护（OVP），采用5 mm x 5 mm WQFN - 28封装，带有外露裸片附着焊盘（DAP）。

五、POL模块设计理念

该POL模块设计为尽可能靠近负载点安装在系统主板上。虽然它可以独立运行进行台面测量等，但当焊接到主板上时，其热特性会显著改善。模块的大部分传导热传递通过其VIN、VOUT和GND连接端子实现。利用主板PCB叠层中通常可用的铜多边形和平面，可降低模块的有效热阻抗，从而降低LM21305调节器IC的结温上升。需要注意的是，如果模块独立运行，应提供足够的气流以避免温度过高。此外，主板上还可放置额外的无源组件以实现更多功能，如TRIM电阻用于调整VOUT，与EN或PGOOD相关的组件用于特定的启动排序或延迟要求等。

六、输出电压调整

反馈电阻调整

输出电压设定点标称值为1.8V，但可通过修改反馈电阻轻松改变。不同输出电压对应的Rfb1电阻值如下表所示：	VOUT	Rfb1
5.0V	73.3 kΩ
3.3V	45.3 kΩ
2.5V	31.6 kΩ
1.8V	20 kΩ（默认）
1.5V	15 kΩ
1.2V	10 kΩ
0.9V	5 kΩ
0.8V	3.4 kΩ
0.7V	1.7 kΩ
0.598V	0 Ω

Trim功能调整

通过在模块的TRIM引脚连接电阻，可在标称设定点之上或之下调整输出电压。LM21305的反馈（FB）节点和TRIM引脚之间的电阻（Rtrim）决定了输出电压的可调范围。若要增加输出电压，需在TRIM引脚和GND之间连接电阻；若要降低输出电压，则需在TRIM引脚和VOUT引脚之间连接电阻。推荐Rtrim = 20 kΩ，可将输出电压从1.2V调整到2.4V（标称值的±33%），同时保持可接受的控制环路性能。

七、其他特性及应用

环路补偿

输出电压的变化会直接影响从VOUT到LM21305的FB引脚的增益，从而影响整体环路增益。当输出电压调整到最低时，环路增益最高；在较高输出电压（环路增益相对较低）下运行时，若要实现最佳瞬态性能，可能需要对控制环路进行重新补偿。例如，当输出电压调整到最高2.4V时，交叉频率会降至40 kHz。建议使用LM21305快速启动计算器来推导合适的补偿组件，以最大化给定输出电压下的环路性能。

可编程UVLO带迟滞

模块上实现了一个电阻分压器，可用于设置精确的UVLO电平，目前设置在最低输入工作电压以下，使模块在VIN = 2.93V（典型值）时开启。用户通常会调整Ren1和/或Ren2的值来改变UVLO电平，以适应目标应用。通过将EN引脚拉低可关闭模块。

外部偏置电源

通过移除电阻Rf，可将外部偏置电源轨（5V）连接到AVIN引脚。这可以在低输入电压时提高栅极驱动电平，并减轻LM21305 LDO偏置电源在高输入电压时的功耗。需要注意的是，LM21305的UVLO参考AVIN引脚的电压；为了实现有效的软启动，PVIN应在AVIN之前上电。

典型应用

• POL转换：适用于3.3V、5V和12V中间总线轨的POL转换。
• 通信基础设施：如光网络、数据中心、服务器、基站、存储系统等。
• 空间受限应用：工业控制和工厂自动化。
• 其他领域：无线电、医疗、测试和数据采集系统（可调整开关频率以避免与其他电路干扰）。

LM21305 POL模块凭借其出色的性能、灵活的设计和丰富的功能，为电子工程师提供了一个可靠的DC - DC点负载解决方案。在实际设计中，我们可以根据具体需求充分利用其特性，实现高效、稳定的电源设计。大家在使用过程中有没有遇到过什么问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。