深入解析LM2854 500 kHz降压调节器评估板

在电子设计领域，电源管理是一个至关重要的环节。今天，我们将深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的LM2854 500 kHz降压调节器评估板，了解其特性、组件选择以及性能表现。

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一、LM2854评估板简介

LM2854 PowerWise® SIMPLE SWITCHER®降压调节器评估板是一款500 kHz的降压电压调节器，能够驱动0A至4A的负载电流，并且具有出色的功率转换效率。它的输入电压范围为2.95V至5.5V，可提供固定且高精度的1.2V输出电压。通过修改一个反馈电阻的值，还可以改变输出电压水平。此外，该评估板采用外部软启动电容，实现了可控、明确且单调的启动输出电压特性，并且能够在预偏置负载下实现无毛刺的单调启动。

二、LM2854引脚说明

1. 引脚布局

LM2854采用HTSSOP - 16封装，其引脚布局如图2所示。每个引脚都有特定的功能，下面为大家详细介绍。

2. 引脚描述

引脚编号	名称	描述
1	NC	工厂预留引脚，应连接到GND以确保正常运行。
2,3,4	PGND	内部功率开关的电源接地引脚，应在器件处局部连接在一起并连接到PCB接地平面。
5,6,7	PVIN	器件内部功率开关的输入电压引脚，应在器件处连接在一起。应尽可能靠近这些引脚放置低ESR输入电容。
8,9	NC	工厂预留引脚，应连接到GND以确保正常运行。
10	AVIN	模拟输入电压源，用于产生内部偏置。欠压锁定（UVLO）电路也从该引脚获取输入。如果AVIN上的电压低于UVLO阈值，两个内部FET将关闭。建议通过低通RC滤波器将PVIN连接到AVIN，以最小化输入轨纹波和噪声对模拟控制电路的影响。串联电阻应为1Ω，旁路电容应为0.1µF至1.0µF的X7R陶瓷电容。
11	EN	器件的高电平有效使能输入。通常，开启阈值为1.23V，具有0.15V的滞后。可以使用来自PVIN的外部电阻分压器来有效提高UVLO开启阈值。如果不使用，EN引脚应连接到PVIN。
12,13	SW	开关节点引脚，是内部MOSFET功率开关的PWM输出。这些引脚应在局部连接在一起并连接到滤波电感。
14	SS	软启动控制引脚。内部2µA电流源对连接在该引脚和AGND之间的外部电容充电，以设置启动期间的输出电压斜坡率。该引脚还可用于配置跟踪功能。
15	AGND	内部偏置电路的安静模拟接地。
16	FB	反馈引脚连接到电压环路误差放大器的反相输入。0.8V带隙基准连接到误差放大器的同相输入。
EXP	暴露焊盘	封装底部的暴露金属焊盘，与PGND有微弱的电气连接。建议将此焊盘连接到PCB接地平面以改善散热。

三、LM2854评估板原理图及物料清单

1. 原理图

评估板的原理图如图3所示，它清晰地展示了各个组件之间的连接关系。

2. 物料清单

评估板的物料清单如下表所示：	参考编号	功能	描述	封装尺寸	制造商	制造商编号
U1	调节器	同步降压调节器	HTSSOP - 16	德州仪器	LM2854
Cin1	输入滤波器	47µF, X5R, 10V	1210	TDK	C3225X5R1A476M
Cin2	输入滤波器	150µF, 6.3V	C2封装	松下	6TPE150MIC2
Co1	输出滤波器	100µF, X5R, 6.3V	1210	TDK	C3225X5R0J107M
Co2	输出滤波器	未组装	C2封装	-	-
Lf	输出滤波器	1.5µH, 14mΩ	6.9 x 6.5 x 3.0 mm	Vishay	IHLP2525CZER1R5M01
Rfb1	上反馈电阻	249kΩ	0603	Vishay Dale	CRCW06032493F - e3
Rfb2	下反馈电阻	499kΩ	0603	Vishay Dale	CRCW06034993F - e3
Rc1	补偿电阻	1.0kΩ	0603	Vishay Dale	CRCW06031001F - e3
Rf	AVIN滤波电阻	1.0Ω	0603	Vishay Dale	CRCW06031R0F - e3
Ren1	使能电阻	100kΩ	0603	Vishay Dale	CRCW06031003F - e3
Ren2	使能电阻	未组装	0603	-	-
Rtrk	跟踪电阻	10kΩ	0603	Vishay Dale	CRCW06031002F - e3
Ra	注入电阻	50Ω	0603	Vishay Dale	CRCW06035000F - e3
Cc1	补偿电容	47pF, ±5%, C0G, 50V	0603	TDK	C1608C0G1H470J
Css	软启动电容	10nF, ±10%, X7R, 50V	0603	TDK	C1608X7R1H103K
Cf	AVIN滤波电容	1.0µF, ±10%, X7R, 16V	0603	TDK	C1608X7R1C105K
TP1,TP2,TP3	测量	示波器探头连接器		Tektronix	131 - 5031 - 00

四、评估板快速操作步骤

1. 设置电源：将电源电流限制设置为3A，关闭电源，然后将电源连接到VIN和GND端子。
2. 连接负载：将具有4A能力的负载连接到VOUT和GND端子。
3. 使能端子：由于板上有上拉电阻，EN端子可保持开路以进行正常操作。
4. 空载测试：在无负载的情况下，将VIN设置为3.0V，VOUT应稳定在标称1.2V输出。
5. 负载测试：缓慢增加负载，同时监测输出电压。当负载增加到4A时，VOUT应保持在标称1.2V输出。
6. 输入电压扫描：将输入电压从2.95V缓慢扫描到5.5V，VOUT应保持在标称1.2V输出。
7. 关机测试：暂时将EN端子短路到GND以检查关机功能。
8. 过流保护测试：增加负载超过正常范围以检查电流限制。输出电流应限制在约5.6A。短路VOUT和GND端子以验证短路保护功能。

五、组件选择

1. 滤波电感（Lf）

滤波电感的选择对系统的稳定性和输出电压特性有重要影响。根据公式 (Lf=frac{V{OUT }(1 - D)}{Delta i{L} f{SW}}) （其中D为占空比），在输入电压范围为2.95V至5.5V的情况下，选择1.5µH的电感可以确保系统的稳定运行。电感的饱和电流应高于4.63A，以防止在正常工作条件下电感饱和。较小的电感值可以使控制回路更快地调整电感电流。评估板采用了Vishay IHLP2525系列1.5µH电感，它在较小的尺寸和外形下提供了必要的电流处理能力和低直流电阻。

2. 输出电容（Co1）

输出电容及其等效串联电阻（ESR）会影响输出纹波电压和环路的整体稳定性。输出电容为电感纹波电流提供低阻抗路径，并为瞬态负载条件提供电荷源。评估板选择了一个100µF的1210多层陶瓷电容器（MLCC），其在500 kHz时的ESR为3mΩ，在1.2V时电容约降低40%。通过测量输出纹波电压和电路的频率响应可以验证这一点。对于LM2854，由于环路交叉频率可以设置得足够大以适应高di/dt负载瞬变，因此通常不需要额外的输出大容量电容。

3. 输入滤波器

输入电容的必要RMS电流额定值可以通过公式 (I{in(RMS)} = I{OUT } sqrt{D(1 - D)}) 估算。在全4A负载电流且系统工作在50%占空比时，RMS电流最大。在指定输出电压下，最坏情况发生在最小输入电压2.95V时，此时占空比为0.41，最大RMS电流为1.97A。陶瓷电容具有小尺寸和大RMS电流额定值的特点，适合作为输入电容。评估板选择了一个47µF 10V的陶瓷电容，并假设电容电压系数为50%，忽略ESR时，输入交流纹波幅度为80mV。在接近最小输入电压时，电解输入电容有助于抑制输入纹波。评估板上还提供了第二个输入电容Cin2，采用了Sanyo的6TPE150MIC2，其电容为150µF，ESR为18mΩ。此外，在AVIN引脚附近放置了一个0603 1µF的陶瓷AVIN滤波电容，并与一个1Ω的串联电阻（可选）一起使用，以过滤电源轨上的高频噪声尖峰，防止这些脉冲干扰芯片的模拟控制电路。

4. 软启动电容

选择10nF的软启动电容可以提供大约4ms的软启动时间，使LM2854能够在任何工作条件下平稳启动，而不会触发过流保护。

5. 跟踪电阻

如果需要对外部电源电压进行同步（等电压斜坡率）或比例（等软启动时间）跟踪，可以移除软启动电容并更换为适当值的下跟踪电阻。上跟踪电阻Rtrk为10kΩ，下跟踪电阻Rtrk1的值根据跟踪方式的不同而有所不同。

6. 使能电阻

LM2854的使能引脚有一个板载100kΩ的上拉电阻Ren1。因此，如果需要，EN端子可以保持开路。也可以通过使用电阻Ren1和Ren2设置一个电阻分压器来配置使能功能，以提高输入UVLO电平。评估板上Ren2未组装。

7. 反馈和补偿组件

电压环路交叉频率 (f{loop}) 通常选择在开关频率的十分之一到五分之一之间。对于LC输出滤波器的复双极点和输出电容ESR引起的零点，可以通过相应的公式计算。对于III型电压模式控制，所需的外部补偿电容 (C{COMP}) 可以通过简单的公式表示。评估板上选择Rfb1为249kΩ，Rc1为1kΩ，Rfb2根据所需的输出电压选择为499kΩ。需要注意的是，从交流角度来看，Rfb2对控制回路没有影响，因为FB引脚是运算放大器型误差放大器的输入，在交流下相当于接地。因此，控制回路的设计可以不考虑输出电压水平，但需要注意输出电容在施加电压时的必要降额。

六、性能特性

补偿方案经过优化，可在整个输入电压范围内工作。对于许多具有固定输入电压轨的应用，可以通过修改补偿来获得更快的瞬态响应。评估板的效率、瞬态响应、启动特性以及通过使能引脚的开关特性等性能指标如图4 - 8所示。

七、PC板布局

评估板基于一个2.0” x 1.2” x 0.062”（51 mm x 31 mm x 1.6 mm）的FR4层压PCB，具有两层两盎司铜。布局设计遵循了合理的布局准则和技术，尽可能减少了电路板空间。输入电容Cin1尽可能靠近PVIN和PGND引脚放置，以最小化Cin1和LM2854之间的杂散电阻和电感。AVIN旁路电容也尽可能靠近AVIN和AGND引脚放置。PGND和AGND在LM2854的暴露焊盘处单点连接到接地平面。为了将热量传导到接地平面并远离LM2854，使用了一个3 x 3的过孔阵列将暴露焊盘与接地平面进行电气和热连接。此外，在三个PGND引脚附近和从暴露焊盘延伸的局部接地平面中还设置了额外的接地平面过孔。最后，FB引脚的走线尽可能短，并远离SW节点，以最小化EMI拾取。

八、总结

LM2854 500 kHz降压调节器评估板是一款性能出色的电源管理解决方案，具有高效、稳定、灵活等特点。通过合理的组件选择和精心的PCB布局，它能够满足各种应用的需求。电子工程师在设计电源管理电路时，可以参考本文的内容，充分发挥LM2854的优势，实现优秀的电源设计。大家在实际应用中是否遇到过类似的电源管理问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。