基于 LM2696 的演示板设计详解

在电源设计领域，一款性能出色且易于调试的降压调节器是工程师的得力助手。LM2696 作为一款常通时间（Constant on-time）的降压调节器，凭借其出色的性能和广泛的应用范围备受关注。今天，我们就来详细探讨基于 LM2696 的演示板设计。

文件下载：LM2696EVAL.pdf

一、LM2696 简介

LM2696 能够向负载提供高达 3A 的电流，其开关频率范围在 100kHz 至 500kHz 之间，支持 4.5V 至 24V 的输入电压。此外，它还内置软启动功能和电源良好标志，方便实现多个调节器之间的简单排序。本演示板的工作条件为：输入电压 (V{IN}) 为 6V 至 24V，输出电压 (V{OUT}) 为 2.5V，输出电流范围 (I{OUT}) 为 0A 至 3A，开关频率 (f{SW}) 为 250kHz。

二、物料清单（BOM）分析

演示板的物料清单涵盖了多种元器件，包括稳压芯片、电感、电容、电阻和二极管等。其中：

• U1（LM2696）：作为核心的 3A 常通时间调节器，采用 HTSSOP - 16 封装。
• L（MSS1260 - 682MX）：电感值为 6.8µH，饱和电流为 4.9A，型号为 MSS1260 封装。
• 电容：多种不同容值和封装的电容用于不同的功能，如输入电容 (C{IN}) 为 180µF、35V；旁路电容 (C{BY}) 为 0.1µF 等。

通过合理选择这些元器件，可以优化电路性能。那么，在实际设计中，如何根据具体需求选择合适的元器件呢？这需要我们综合考虑电路的各项参数和性能要求。

三、性能评估

从评估板获取的基准数据可知，当 (V_{IN}) 为 12V 时，可以对效率进行测量。评估板的一大优势在于能够通过替换部分元器件来研究性能权衡。例如，电感的封装设计可兼容 DO - 3316 和 MSS - 1278 封装，具体的电感选择取决于设计约束条件。那么，不同的电感选择会对电路性能产生哪些具体影响呢？这值得我们深入研究。

四、关键参数选择

1. 频率选择

连接到 (R{ON}) 引脚的电阻用于设置 LM2696 的开关频率。该电阻控制流入 (R{ON}) 引脚的电流，与导通时间脉冲直接相关。将该引脚连接到 (PV{IN}) 可使开关频率在输入电压变化时保持恒定。在正常工作时，该引脚电压比地高约 0.65V；关机时，该引脚变为高阻抗节点以防止电流流动。其计算公式为： [R{ON}=frac{left(V{IN}-V{D}right) times V{OUT }}{k{ON} times f{SW} times V{IN}} times 10^{6}] 对于本演示板，计算得出 (R_{ON}) 为 143kΩ。

2. 电感选择

通常，选择电感时应使最大峰 - 峰纹波电流小于最大负载电流的 30%。电感电流纹波 (Delta I{L}) 可表示为： [Delta I{L}=frac{left(V{IN}-V{OUT }right) cdot D}{L cdot f_{SW}}] 本演示板中电感计算值为 6.8µH，也可选择标准值 10µH。同时，还需考虑电感的饱和电流、核心材料、屏蔽和物理方向等因素。那么，电感的物理方向对电路稳定性的具体影响机制是什么呢？这是一个值得深入思考的问题。

3. 输出电容选择

输出电容的大小和等效串联电阻（ESR）直接影响环路的稳定性。因为常通时间控制方案通过检测输出电压纹波并进行适当切换来工作。反馈引脚所需的纹波电压可通过公式 (Delta V{FB} geq 0.057 times f{sw}+35) 估算。对于本演示板，反馈引脚所需纹波电压为 21mV，输出纹波为 42mV，输出电容的 ESR 不应小于 36mΩ。通常，使用 POSCAPs、SP CAPs、钽电容、氧化铌电容等可获得最佳性能。那么，不同类型的输出电容在实际应用中的优缺点分别是什么呢？

4. 纹波前馈

使用 RC 网络可以消除对高 ESR 电容的需求。通过合理选择 (R{ff}) 和 (C{ff}) 的值，可以减少输出电压偏移误差。对于本演示板，若使用陶瓷输出电容，可选择 (C_{ff}) 为 270pF 的标准值。那么，RC 网络在不同电路中的适应性如何呢？

5. 反馈电阻选择

为了降低反馈引脚的噪声，(R{FB2}) 通常约为 1kΩ。(R{FB1}) 的值可通过公式 (R{FB1}=R{FB2}left(frac{V{OUT}}{V{FB}} - 1right)) 计算。本演示板中 (R{FB1}) 和 (R{FB2}) 均选择为 1kΩ。

6. 软启动电容选择

软启动电容用于将参考电压从 0V 缓慢升至最终值 1.25V。启动时间可通过公式 (t{SS}=frac{1.25V times C{SS}}{I_{SS}} times 10^{3}) 计算。本演示板选择软启动时间约为 12.5ms 的电容值。

五、关机与布局指南

1. 关机

关机引脚的状态可使器件启用或进入睡眠状态。该引脚有内部上拉电阻，可悬空或连接到高逻辑电平；连接到地则关闭器件。同时，需用 1nF 陶瓷电容旁路该引脚以确保正确的逻辑阈值。

2. 布局指南

良好的 DC - DC 转换器布局对于电路性能至关重要。具体要点包括：

• 功率元件（续流二极管、电感和滤波电容）应紧密放置，它们之间的走线应尽可能短而宽。
• 功率元件与 DC - DC 转换器电路之间的电源线应使用宽走线。
• 输入和输出滤波电容以及续流二极管的接地引脚应尽可能靠近连接，并通过过孔连接到接地层。
• 功率元件应排列成使开关环路朝同一方向卷曲。
• 应将对噪声敏感的走线（如电压反馈路径）与功率元件相关的噪声走线分开。
• 确保转换器 IC 有低阻抗接地。
• 转换器 IC 的支持元件（包括频率选择元件）应尽可能靠近转换器 IC 放置，但要远离噪声走线和功率元件，并使其与转换器 IC 及其伪接地层的连接尽可能短。
• 应将对噪声敏感的电路（如无线电或调制解调器模块）远离 DC - DC 转换器。

六、替代应用电路

文档还给出了一个 5V 至 2.5V 电压应用的替代电路，其物料清单与原演示板有所不同。这为不同的应用场景提供了更多的选择。那么，在什么情况下我们应该选择替代应用电路呢？

通过对基于 LM2696 的演示板的详细分析，我们可以看到，在电源设计中，每一个元器件的选择和布局都对电路性能有着重要的影响。作为电子工程师，我们需要深入理解各个参数的含义和计算方法，结合实际应用需求，做出最优的设计决策。希望本文能对大家在电源设计方面有所帮助。你在实际设计中遇到过哪些与 LM2696 相关的问题呢？欢迎在评论区分享。