基于LM3103的降压开关稳压器演示板设计详解

在电子设计领域，电源管理一直是至关重要的环节。今天我们来深入探讨一下基于LM3103的降压开关稳压器演示板的设计，它能够提供高效、低成本的电源解决方案。

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一、LM3103简介

LM3103是一款降压开关稳压器，具备实现高性价比、高效降压电源转换器所需的所有功能，能够为负载提供0.75A的电流。它采用恒定导通时间（COT）调节方案，无需环路补偿，具有快速的负载瞬态响应和简单的电路实现方式，这使得元件数量减少，典型应用所需的电路板空间也非常小。该稳压器即使在全陶瓷输出电容网络下也能正常工作，并且不依赖输出电容的等效串联电阻（ESR）来实现稳定性。由于输入电压和导通时间之间的反比关系，其工作频率在电源电压变化时保持恒定。此外，它还具备输出过压保护、热关断、(V_{CC})欠压锁定、栅极驱动欠压锁定等保护功能，采用热增强型HTSSOP - 16封装。

二、演示板的原理图和PCB

演示板的原理图和PCB设计是整个设计的基础。原理图展示了各个元件之间的连接关系，而PCB则是将原理图转化为实际电路板的关键。这里给出了LM3103演示板的原理图、PCB顶层覆盖图、顶层视图和底层视图。这些设计确保了元件的合理布局和信号的有效传输。

三、演示板快速设置步骤

1. 连接电源：将电源连接到VIN端子，VIN范围为8V至42V。
2. 连接负载：将负载连接到VOUT端子，IOUT范围为0A至0.75A。
3. 正常运行设置：SD（JP1）应保持开路以实现正常运行，短接此跳线可实现关机。
4. 空载电压检查：设置VIN = 18V，在空载情况下，用电压表检查VOUT，标称值为3.3V。
5. 满载电压检查：施加0.75A负载，再次检查VOUT，标称值仍为3.3V。
6. 短路电流检查：短接输出端子，用电流表检查短路电流，标称值为1.05A。
7. 关机功能检查：短接SD（JP1）以检查关机功能。

四、演示板性能特性

描述	符号	条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入电压	VIN		8	18	42	V
输出电压	VOUT		3.2	3.3	3.4	V
输出电流	IOUT		0	-	0.75	A
输出电压纹波	VOUT(Ripple)		-	-	50	mVp - p
输出电压调节	ΔVOUT	所有VIN和IOUT条件	-2		+2	%
效率		VIN = 8V	85		91	%
		VIN = 24V	71		84	%
		VIN = 42V (IOUT = 0.1A至0.75A)	59		78	%
输出短路电流限制	ILIM - SC			1.05		A

这些性能特性为我们评估演示板的性能提供了重要依据。

五、设计步骤

1. 计算反馈电阻

反馈电阻的比例可以通过以下公式计算： [R 4=frac{10 k Omega}{left(frac{V{OUT}}{0.6}-1right)}=2.22 k Omega] 通常，R3和R4应从1.0 (k Omega)至10 (k Omega)范围内的标准1%电阻值中选择，以满足上述比例。这里选择(R 3 = 10 k Omega)，当(V{OUT } = 3.3 ~V)时适用。

2. 计算导通时间设置电阻

[R 1=frac{V{OUT }}{8.3 × 10^{-11} × f{SW}}] 演示板的开关频率(f{sw })受LM3103的导通时间(t{on})影响，而(t{on})由R1决定。如果确定了(f{sw })和(V{OUT })，则可以按以下方式计算R1： [R 1 geq frac{V{IN(MAX) } × 100 ns}{8.3 × 10^{-11}}] 对于此演示板设计，选择(V{OUT } = 3.3 ~V)和(f{sw}=500 kHz)，计算得到(R 1 = 78.52) (kOmega)。为确保导通时间大于最小限制（100 ns），R1的值必须满足上述方程。当前最大(V_{IN })为42V，计算得到的R1满足该方程。

3. 确定电感值

[L 1=frac{V{OUT } xleft(V{IN}-V{OUT }right)}{I{LR} × f{SW} × V{IN}}] 电感影响的主要参数是电感电流纹波(I{LR})的幅度。一旦选择了(I{LR})，就可以确定L1的值。对于此演示板设计，选择(I{LR}=0.3 ~A)，当(V{IN}=18 ~V)，(V{OUT } = 3.3 ~V)，(f{sw}=500) kHz时，计算得到(L = 17.97 mu H)。

4. 确定其他元件的值

• C1：C1的作用是在导通时间内提供大部分主MOSFET电流，并限制VIN引脚的电压纹波。假设连接到VIN引脚的电压源具有有限的输出阻抗。在最大负载电流下，当主MOSFET导通时，VIN引脚的电流从0突然增加到电感纹波电流的较低峰值，并上升到较高峰值，然后在关断时降至0。导通时间内的平均电流为负载电流。在最坏情况下，C1必须能够在最大导通时间内提供该平均负载电流。计算公式为： [C 1=frac{ I{out} x t{on }}{Delta V_{IN}}] 在本演示板中，使用了一个10 µF的电容器。
• C3：C3用于避免由于VIN引脚的长引线电感引起的瞬态和振铃。本演示板使用了一个靠近LM3103的低ESR 0.1 µF陶瓷贴片电容器。
• C4：C4使用了一个33 nF的高品质低ESR陶瓷电容器，因为它在导通时为主要MOSFET栅极驱动器提供浪涌电流。低ESR还有助于确保在每个关断时间内完全充电。
• C5：SS引脚的电容器决定了软启动时间，即调节比较器的参考电压和输出电压达到最终值的时间。软启动时间受输出电容器的影响，它会延长时间，以及C5的充电情况。最小软启动时间由以下方程确定： [t_{ss}>180 mu s+frac{C 5 × 0.6 V}{70 mu A}] 在本演示板中，C5使用了一个33 nF的电容器，相应的软启动时间约为600 µs。
• C8：(V{CC})输出端的电容器不仅提供噪声滤波和稳定性，还能防止主MOSFET开关转换时(V{CC})欠压锁定（UVLO）的误触发。为了稳定性，C8应不小于1 µF，并且应为高品质、低ESR的陶瓷电容器。
• C9：如果输出电压高于1.6V，在不连续导通模式下需要C9来减少输出纹波。在本演示板中，使用了一个10 nF的电容器。
• C10：输出电容器通常应不小于10 µF。通常需要通过实验来确定输出电容器的最小值，因为负载的性质可能需要更大的值。产生显著瞬态的负载比固定负载需要更大的输出电容器。在本演示板中，使用了一个47 µF的电容器来提供低输出纹波。
• C12：C12是一个靠近LM3103的小值陶瓷电容器，用于进一步抑制(V_{out})处的高频噪声。在本演示板中，使用了一个47 nF的电容器。

六、PC板布局

LM3103的调节、过压和电流限制比较器响应速度非常快，因此布局对于实现最佳性能至关重要。布局应尽可能整洁紧凑，所有外部元件应尽可能靠近LM3103的相关引脚。由C1、LM3103内部的主MOSFET和同步MOSFET以及PGND引脚形成的环路应尽可能小。PGND引脚到输入电容器的连接应尽可能短而直接。应添加过孔将输入电容器的接地连接到接地平面，并尽可能靠近电容器。自举电容器C4应尽可能靠近SW和BST引脚连接，连接走线应较粗。反馈电阻和电容器R3、R4和C9应靠近FB引脚。从(V_{OUT })到R3的长走线通常是可以接受的，因为这是一个低阻抗节点。将R4直接接地到AGND引脚（引脚7）。输出电容器C10应靠近负载连接，并直接连接到接地平面。电感器L1应尽可能靠近SW引脚连接，走线应尽可能短，以减少电磁干扰（EMI）的产生。如果预计LM3103在正常运行期间内部散热会导致过高的结温，充分利用PC板的接地平面可以大大帮助散热。可以将LM3103 IC封装底部的暴露焊盘焊接到接地平面，该接地平面应从LM3103下方延伸出来以帮助散热。暴露焊盘内部连接到LM3103 IC基板。此外，在可能的情况下使用粗走线可以帮助将热量从LM3103传导出去。使用大量过孔将芯片附着焊盘连接到接地平面是一种很好的做法。合理定位PC板在最终产品中的位置，以及利用任何可用的气流（强制或自然对流）可以帮助降低结温。

七、物料清单

名称	描述	尺寸	制造商零件编号	供应商
C1	10µF 50V Y5V电容	1210	GRM32DF51H106ZA01L	Murata
C3	0603/X7R/0.1µF/50V	0603	ECJ1VB1H104K	Panasonic
C4, C5	0603/X7R/33000pF/50V	0603	ECJ1VB1H333K	Panasonic
C8	0603/X5R/1µF/10V	0603	GRM188R61A105KA61B	Murata
C9	0603/X7R/10000pF/50V	0603	ECJ1VB1H103K	Panasonic
		GRM188R71H103KA01B	Murata
C10	1210/X5R/47µF/6.3V	1210	ECJ4YB0J476M	Panasonic
		GRM32ER60J476ME20B	Murata
C12	0603/X7R/47000pF/50V	0603	ECJ1VB1H473K	Panasonic
R1	78.7k Ω F贴片电阻	0603	CRCW06037872F	Vishay
R3	10k Ω F贴片电阻	0603	CRCW06031002F	Vishay
R4	2.21k Ω F贴片电阻	0603	CRCW06032211F	Vishay
L1	18µH 1.45A功率电感	6.8×6.8×3	CDR6D28MNNP - 180NC	Sumida
	18µH 1.7A功率电感	7.3×7.3×3.2	7447789118	Wurth
U1	IC LM3103	HTSSOP - 16	LM3103	Texas Instruments
PCB	LM3103演示板			Texas Instruments

八、典型性能和波形

所有曲线和波形均在(V{IN}=18 ~V)、环境温度(T{A}=25^{circ} C)的条件下，使用演示板测量得到（除非另有说明）。这些性能和波形展示了演示板在不同工作条件下的表现，对于评估其实际应用效果具有重要意义。

通过以上详细的设计步骤和分析，我们可以看到基于LM3103的降压开关稳压器演示板是一个功能强大、设计合理的电源解决方案。在实际设计中，我们还需要根据具体的应用需求进行适当的调整和优化。大家在设计过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。