深入剖析LM20143评估板：从原理到设计

在电子工程师的日常工作中，一款性能出色的降压开关稳压器及其评估板能为项目带来极大的便利。今天我们就来详细探讨一下TI的LM20143评估板，看看它的特点、设计原理以及关键组件的选择。

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1. LM20143概述

LM20143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。其开关频率可通过外部电阻在500kHz至1.5MHz之间调节，这一特性使得功率级组件的尺寸得以减小，同时还能保证高效运行。它可以将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、输出电源正常指示以及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，精密使能引脚则方便在有顺序要求的应用中对其进行排序。该芯片采用16引脚HTSSOP封装，带有外露焊盘以增强热性能。

2. 评估板设计特点

LM20143评估板在整体解决方案尺寸和稳压器效率之间取得了平衡。它采用两层PCB，尺寸略小于1.3” x 1.1”，所有组件都放置在顶层。评估板的功率级和补偿组件针对5V输入电压和1.5MHz开关频率进行了优化，但测试时输入电压可在整个工作范围内变化。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。其控制环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。需要注意的是，板上的EN引脚必须高于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})。

3. 物料清单（BOM）

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的介绍：

• U1：同步降压稳压器LM20143，由德州仪器生产，是评估板的核心组件。
• 输入电容（(C_{IN})）：采用Murata的47µF、1210、X5R、6.3V陶瓷电容，为评估板提供必要的输入电容。同时，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。
• 电感（L）：选择了Coilcraft的DO1813H - 122ML电感，电感值为1.2µH，直流电阻为17mΩ，饱和电流额定值为5.3A，在效率、尺寸和电流承载能力之间取得了良好的平衡。
• 输出电容（(C_{OUT})）：同样采用Murata的47µF陶瓷电容，具有良好的瞬态和直流性能。其等效串联电阻（ESR）约为3mΩ，在1.2V直流偏置下的有效电容约为32µF。

4. 组件选择依据

4.1 输入电容

对于降压稳压器，输入电容的均方根（RMS）电流额定值可以通过公式估算。陶瓷电容由于在小尺寸下具有较大的RMS电流额定值，非常适合该应用。评估板选择了Murata的47µF X5R陶瓷电容，并并联一个1µF的高频电容来改善旁路效果。

4.2 AVIN滤波器

为了防止PVIN上的开关噪声干扰连接到AVIN的内部模拟电路，需要添加一个RC滤波器（由(R{F})和(C{F})组成）。评估板使用1Ω的电阻(R{F})，以确保在器件启用后不会触发欠压锁定（UVLO）比较器。1µF的电容(C{F})与1Ω电阻配合，在1.5MHz开关频率下提供大于16dB的衰减。

4.3 电感

根据数据手册建议，电感值应选择为使峰 - 峰纹波电流约为最大输出电流的30%。通过计算，对于5V输入、1.2V输出、1.5MHz开关频率和3A输出电流的应用，标称电感值约为0.68µH，但最终选择了1.2µH的电感以适应器件的全输出电压范围。

4.4 输出电容

输出电容的值会影响输出电压的纹波以及对负载瞬态的大信号输出电压响应。评估板选择了Murata的47µF陶瓷电容，其ESR约为3mΩ，在5V输入时输出的峰 - 峰电压纹波可计算为3mV。

4.5 软启动电容（(C_{SS})）

软启动电容可用于控制LM20143电压稳压器的启动时间。评估板设计的软启动时间约为5ms，根据公式计算得出(C_{SS})电容值为33nF。

4.6 (C_{VCC})电容

(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，评估板选择了1µF的电容。

4.7 (C_{C1})电容

(C_{C1})电容用于设置LM20143控制环路的交叉频率。评估板为了在全输入和输出电压范围内保持稳定，选择了4.7nF的电容。

4.8 (R_{C1})电阻

(R_{C1})电阻用于在控制环路中设置一个零点，以抵消输出滤波器极点。其大小可根据公式计算，为了保证稳定性，应针对应用中预期的最大输出电流进行补偿。

4.9 (C_{C2})电容

(C{C2})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。评估板的(C{C2})焊盘未填充，因为输出使用的低ESR陶瓷电容在交叉频率之前不会对控制环路引入零点。如果更换为具有显著ESR的电容，可以根据公式估算(C_{C2})的值。

4.10 (R_{T})电阻

(R{T})电阻用于设置器件的工作频率。评估板选择了49.9kΩ的电阻，将振荡器频率设置为1.5MHz。通过公式可以调整(R{T})的值以支持500kHz至1.5MHz的工作频率。

4.11 (R{FB1})和(R{FB2})电阻

(R{FB1})和(R{FB2})电阻构成一个分压器，用于设置电压稳压器的输出。评估板的标称输出电压为1.2V，对应的(R{FB1}=4.99kΩ)，(R{FB2}=10kΩ)。如果需要不同的输出电压，可以根据公式调整(R{FB1})的值，而(R{FB2})通常不需要改变。

5. 连接说明

评估板的各个端子都有明确的功能：

• VIN：设备的输入电压端子，工作电压范围为2.95V至5.5V，绝对最大电压额定值为6V。
• GND：设备的接地连接，PCB上有两个不同的GND连接，分别用于输入电源和负载。
• VOUT：连接到电源的输出电压，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，工作电压不应超过5.5V，绝对最大电压额定值为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。如果用外部电压源驱动且电压低于0.8V参考电压，设备的反馈引脚将跟踪该引脚的电压，正常工作时该引脚电压不应超过5.5V，绝对最大电压额定值为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。正常工作时该引脚电压不应超过5.5V，绝对最大电压额定值为6V。

6. 总结

LM20143评估板为电子工程师提供了一个优秀的平台，用于测试和评估LM20143降压开关稳压器的性能。通过合理选择组件和优化设计，评估板在尺寸、效率和稳定性方面取得了良好的平衡。在实际应用中，工程师可以根据具体需求调整组件参数，以满足不同的设计要求。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。