深入解析LM21305降压转换器评估模块

在电子设计领域，降压转换器是一种常见且关键的元件，它能将较高的输入电压转换为较低的输出电压，以满足不同电子设备的需求。今天，我们就来详细探讨德州仪器（Texas Instruments）的LM21305降压转换器评估模块。

文件下载：LM21305EVM/NOPB.pdf

一、LM21305概述

LM21305是一款功能齐全的可调频率同步降压负载点调节器，能够提供高达5A的连续输出电流。它的输入电压范围为3V至18V，输出电压范围为0.598V至5V，适用于各种不同的应用场景。

特点

• 高精度输出：具备出色的输出电压精度，能为数字负载提供稳定的电源。
• 良好的瞬态响应：在负载变化时，能快速响应，保证输出电压的稳定。
• 灵活的系统配置：可通过外部电阻对开关频率进行编程，还能将开关频率同步到外部时钟，频率范围为300kHz至1.5MHz。
• 多种保护功能：拥有内部软启动功能，可限制浪涌电流；具备预偏置和单调启动能力；还有逐周期电流限制、热关断、过压保护（OVP）和过流保护（OCP）等功能，提高了系统的可靠性。
• 封装优势：采用WQFN - 28封装，带有外露焊盘，增强了热性能。

评估板默认参数

参数	默认值	范围和选项
PVIN	12V	外部电源5V至18V
AVIN	=PVIN	连接到PVIN或通过JP1选择单独的电源（3V至18V）
VOUT	3.3V	通过改变R5、R6或两者，范围为0.598V至5V
开关频率	500kHz	通过改变R4，范围为300kHz至1.5MHz
IOUT	0A至5A
尺寸	2英寸×1.5英寸
PCB层数	4层

二、评估板电路与物料清单

典型应用电路与原理图

评估板的典型应用电路展示了LM21305在实际应用中的连接方式。原理图则详细呈现了各个元件之间的电气连接，为工程师进行电路分析和设计提供了重要依据。

物料清单（BOM）

评估板的物料清单列出了所有使用的元件，包括电容、电感、电阻、LED和芯片等。以下是部分元件信息：	元件	描述	制造商	制造商零件编号	封装
C1	陶瓷100pF 25V NPO	AVX	06033A101KAT2A	0603
C2, C7	陶瓷0.1µF 16V X7R	TDK	C1608X7R1C104M	0603
L1	3.3µH 9.0A SMD	Wurth Electronics	744314330	SMD
U1	LM21305降压调节器	Texas Instruments	LM21305	WQFN - 28

三、连接说明与跳线设置

连接说明

终端丝印	描述
PVIN	在该终端和旁边的GND终端之间连接电源，设备额定电压为3V至18V，绝对最大电压额定值为20V。
GND	提供与电源和信号终端的近距离返回路径，板上所有GND终端都连接在一起。
SW	连接到功率级的开关节点，可使用示波器监测开关节点波形。
VOUT	连接到板上的输出电容，应连接到负载。
AVIN_EXT	通过JP1选择和连接到AVIN_EXT终端，可使用单独的电源电压为AVIN供电，大多数情况下，5V的AVIN电压可实现最佳效率。
EN	连接到设备的EN引脚，通过板上的10kΩ电阻上拉到AVIN，也可通过该终端进行外部控制，通常大于1.2V的电压将使能设备。
PGOOD	连接到设备的电源良好输出，该引脚到2V5偏置轨有一个100kΩ上拉电阻。

跳线设置

跳线	描述	默认设置
JP1	设置LM21305的AVIN，引脚2和3连接时AVIN = PVIN，引脚1和2连接时AVIN = AVIN_EXT。	引脚2和3连接
J1	启用板载LED LD1，J1开启时，若PGOOD为高，LD1将点亮；J1关闭时，可节省驱动LD1的功率。	开启
J2	同步时钟输入，J2开启时，C1接地，开关频率由板载电阻R4设置；J2关闭时，开关节点波形将同步到连接到J2的时钟源。	开启
J3	仅在AVIN = 5V时连接，当AVIN低于5V，特别是低于3.3V时，连接J3可提高效率。注意：若AVIN > 5.5V，连接J3可能损坏设备。	关闭

四、其他设计示例

LM21305适用于多种应用场景，德州仪器提供了设计计算器工具和WEBENCH®电源设计器来加速设计过程。以下是一些设计示例：	VOUT	C6	L1	R5	R7
1.2V	3300pF, 25V	1.5µH, 10A	10kΩ, 1%	3.32kΩ, 1%
1.8V	3300pF, 25V	2.2µH, 10A	20kΩ, 1%	4.22kΩ, 1%
2.5V	4700pF, 25V	2.2µH, 10A	31.6kΩ, 1%	5.10kΩ, 1%
3.3V	4700pF, 25V	3.3µH, 10A	45.3kΩ, 1%	7.15kΩ, 1%
5V	4700pF, 25V	3.3µH, 10A	73.2kΩ, 1%	8.2kΩ, 1%

五、典型性能特性

评估板的典型性能特性包括不同输入电压和开关频率下的效率曲线，以及启动过程中的各种波形，如无负载启动、5A电阻负载启动、预偏置负载启动等。这些特性可以帮助工程师了解LM21305在不同工作条件下的性能表现。

六、元件选择

输入电容

PVIN为开关功率级提供电源，输入电容需要承受较大的交流开关电流。为防止大的电压瞬变，应使用低ESR的输入电容，并根据最大RMS电流进行选型。最大RMS电流计算公式为： [I{RMS_CIN}=I{OUT} sqrt{frac{V{OUT}(V{PVIN}-V{OUT})}{V{PVIN}}}] 输入电容的功率损耗为： [P{D_CIN}=I{RMS}^{2} R_{ESR_CIN}] 在设计中，还可以并联多个电容以满足尺寸或高度要求。对于低输入电压应用，需要足够的输入电容来减小负载电流变化时的瞬态影响。

AVIN滤波器

AVIN滤波器由电阻 (R{F}) 和电容 (C{F}) 组成。评估板中使用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 (C{F}) 电容与1Ω电阻配合，在500kHz开关频率下可提供约10dB的衰减。

开关频率选择

LM21305支持300kHz至1.5MHz的宽范围开关频率。较低的开关频率通常意味着较低的开关损耗，可提高效率；而较高的开关频率则允许使用更小的LC滤波器，实现更紧凑的设计。选择开关频率时需要综合考虑效率、电路尺寸、输入输出电压、负载水平等因素。最大可用频率计算公式为： [f{s - max}=frac{V{OUT}}{V{PVIN - max}} × frac{1}{T{ON - MIN}} × frac{1}{T_{ON - ON}}] 为获得所需的工作频率，可使用以下公式计算电阻R4的值： [f_s [kHz] = 31000 × R^{-0.9}[kΩ]]

电感

一般建议将电感的峰 - 峰纹波电流保持在最大直流负载电流（5A）的20%至40%之间，理想值为30%。电感应具有足够高的电流额定值和尽可能小的DCR。峰 - 峰电流纹波计算公式为： [Delta i{L{pp}}=frac{(1 - D) × V{OUT}}{f{S} × L}] 电感的选择范围为： [frac{(1 - D) × V{OUT}}{f{S} × 0.4 × I{L(MAX)}} leq L leq frac{(1 - D) × V{OUT}}{f{S} × 0.2 × I{L(MAX)}}] 电感应能够承受最大负载电流加上纹波电流，即 (I{L(MAX)} = I{LOAD(MAX)} + Delta i_{L(MAX)} / 2) 。

输出电容

输出电容的选择直接影响稳态输出电压纹波、环路稳定性以及负载瞬变时的电压过冲或下冲。输出电压纹波由两部分组成： [Delta V{OUT - ESR}=Delta i{L{P - P}} × ESR] [Delta V{OUT - C}=frac{Delta i{L{P - P}}}{8 f{S} C{OUT}}] 实际的峰 - 峰纹波小于两部分峰值之和： [Delta V{OUT}{L, pp} timesleft(frac{1}{8 f{S} C{OUT}} + ESRright)] 为了在负载瞬变时保持较小的过冲或下冲，希望输出电容具有小的ESR和大的电容值，但这会增加成本和尺寸。建议使用一个或多个陶瓷电容，因为它们具有非常低的ESR，并且在高频下仍保持电容特性。

补偿电路

LM21305通常只需要一个电阻 (R{c}) 和一个电容 (C{c1}) 进行补偿。首先应选择一个期望的交叉频率 (f{c}) ，建议 (f{c}) 等于或低于 (f{s} / 6) 。补偿电阻计算公式为： [R{c}=frac{1}{Gain{0}} × frac{f{c}}{f{p}}=frac{V{OUT}}{V{FB}} × 302 × f{c} × C{OUT}] 电容 (C{c1}) 不影响交叉频率 (f{c}) ，但它设置补偿器零点 (f{Zcomp}) 并影响环路的相位裕度。对于大多数LM21305应用， (C{c1} = 4.7) nF可提供足够的性能。建议将补偿零点设置不高于 (f{c} / 3) ，以确保足够的相位裕度： [C{c1} geq frac{3}{2 pi R{c} f_{c}}]

七、PCB布局

良好的PCB布局对于LM21305的性能至关重要。评估板的PCB采用4层设计，包括顶层、中间层1、中间层2和底层。合理的布局可以减少电磁干扰，提高电路的稳定性和可靠性。

八、总结

LM21305降压转换器评估模块为工程师提供了一个方便的平台，用于评估和设计基于LM21305的降压电源。通过了解其特性、电路原理、元件选择和PCB布局等方面的知识，工程师可以更好地利用该模块进行设计，满足不同应用的需求。在实际设计过程中，你是否遇到过类似的降压转换器设计挑战呢？你又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。