深入解析LM22670评估板反相拓扑设计

在电子工程领域，DC/DC转换器的设计至关重要，而TI的LM22670评估板反相拓扑设计为我们提供了一个优秀的范例。下面，我们就来详细探讨一下这个评估板的相关内容。

文件下载：LM22670INVEVAL.pdf

评估板概述

LM22670反相评估板旨在展示LM22670开关稳压器在极性反相拓扑中的性能。它能在6V至35V的输入电压范围内，提供高达1.5A负载电流的 -5V输出，典型工作频率为500kHz，设计可在最高50°C的环境温度下运行。

评估板具有以下性能参数：

• 输入范围：6V至35V，标称值12V
• 输出电压： -5V
• 输出电流范围：0A至1.5A
• 工作频率：500kHz
• 板尺寸：1.5 X 1.65英寸
• 封装：PSOP - 8

评估板还设有测试点，便于连接和监测关键信号，并且可以重新配置以实现不同的负载电流和输出电压。

工作原理

极性反相转换器利用电感L1在导通期间存储能量，在关断期间通过二极管D1将能量传输到输出端。当开关导通时，二极管反向偏置，电感电流线性上升；开关关断时，电感极性反转以维持峰值开关电流，此时二极管D1正向偏置，电感存储的能量传输到负载和输出电容C4。由于开关节点相对于地为负，输出电容（C4和C5）两端的输出电压变为负。这种反相转换器可以升压和降压输入电压的幅度，属于降压 - 升压转换器，但输出电压相对于地始终为负。

设计考虑因素

拓扑设计

该反相拓扑设计可用于LM2267X SIMPLE SWITCHER®系列的任何成员。LM22670的接地引脚（GND）连接到负输出VOUT，反馈电阻分压器参考GND，无需额外的电平转换和反馈信号反转来调节负输出电压。对于固定电压版本的LM22670，将反馈引脚直接连接到系统地也可实现反相拓扑应用。

稳定性问题

极性反相拓扑在控制到输出传递函数中有一个右半平面零点，难以稳定。为此，连接了两个补偿电容C6和C7从输入到负输出，以提供更多的相位裕度并稳定环路。当输出电流小于100mA时，转换器可在不连续电流传导模式（DCM）下运行，此时不需要C6和C7。初始施加电压时，电容充电电流会导致输出出现正电压尖峰，其幅度取决于电容的ESR值，通常小于500mV。若电感直流电阻为2Ω或更大且初始启动电流高，正电压尖峰可能高于500mV，可使用额外的钳位二极管D2将其钳位到约300mV。

元件选择

电感选择

电感的选择需要计算占空比D，公式为： [D=frac{I V{OUT } I+V{D}}{V{IN}+IV{OUT } I+V{D}-V{O}}] 其中，(V{D})是D1二极管的电压降，(V{O})是LM22670内部功率NFET的电压降。平均电感电流(I{L})与负载电流(I{OUT})的关系为： [I{L}=frac{I{OUT}}{1 - D}] 推荐选择电感纹波电流(Delta I{L})约为平均电感电流(I{L})的30%，以确保调节器在连续电流传导模式（CCM）下运行，应用电路具有较小的负载瞬态响应和可接受的输出电压纹波。所需电感值L的计算公式为： [L=frac{V{IN} × D}{F × Delta I{L}}] 电感的RMS电流额定值应等于或大于最大电流限制(I_{CL})，以避免电感饱和。

IC器件额定值

DC/DC极性反相转换器需要考虑峰值开关电流(I{PEAK})和最大输入电压(V{INMAX})。峰值开关电流计算公式为： [I{PEAK}=I{L}+frac{Delta I{L}}{2}] 最大输入电压额定值为： [V{INMAX}=V{IN}+left|V{OUT}right|] 最大负载电流(I{OUT(MAX)})取决于占空比D和电感值L，计算公式为： [I{OUT(MAX)}=left(I{CLMIN}-frac{V{IN} × D}{2 × F × L}right) times(1 - D)]

二极管额定值

二极管D1需要满足最大电流额定值(I{DMAX}=I{PEAK})和最大电压额定值(V{DMAX}=V{IN}+left|V_{OUT}right|)。推荐使用具有低正向电压额定值的肖特基二极管，以实现高转换器效率和低EMI。

输出电容选择

输出电容主要选择低ESR值的电容，同时其电容值必须能够在开关导通时提供最大负载电流。所需ESR值计算公式为： [ESR=frac{Delta V{OUT}}{I{PEAK}}] 最小输出电容值(C{OUTMIN})的计算公式为： [C{OUTMIN}=frac{I{OUT} × D}{F × Delta V{OUT}}]

输入电容选择

输入电容应基于其低ESR值和高RMS电流额定值进行选择，以支持应用输入的高电流变化。推荐在开关稳压器输入引脚附近使用低ESR旁路电容，较大ESR的输入电容可用于输入滤波，以减少电源线上的电感冲击，并使输入滤波拐角频率远离开关稳压器的带宽。

同步和可调频率

使用同步功能时，需要施加一个相对于LM22670接地引脚GND的同步电压，该电压在反相拓扑中与负输出电压具有相同的电位。可能需要对同步脉冲进行一些电平转换，以确保在RT/SYNC引脚的绝对最大额定值范围内。通过将电阻从RT/SYNC引脚连接到LM22670 GND引脚，可以将开关频率调整为高于或低于500kHz。

精确使能

当EN引脚被拉低时，LM22670可以关闭。在反相拓扑中，这意味着EN引脚被拉到接近GND引脚电压（即负输出电压）。如果施加外部信号，必须注意确保EN引脚的电压不高于LM22670数据手册中相对于GND引脚的绝对最大允许电压。由于在反相应用中LM22670的GND引脚变为负输出电压，使用EN引脚时可能需要进行电平转换。如果在应用中不使用EN引脚，可以将其悬空。

PCB布局指南

LM22670开关稳压器在极性反相拓扑中的PCB布局非常重要。输入电容应尽可能靠近开关稳压器的输入引脚放置，开关稳压器需要正确接地，推荐使用单独的接地平面和单点接地结构。特别是在负载电流高于1A时，走线布局和元件放置至关重要，否则高开关电流会导致故障。寄生走线电感通常是输入和输出线上高电压尖峰以及EMI问题的主要原因。

稳定性考虑

极性反相（降压 - 升压）转换器的电流流动较为复杂，AC电流在短时间内变化，需要将相关走线尽可能缩短，以减小环路电感。在敏感应用中，即使使用低ESR输入和输出滤波电容，输入和输出电压尖峰可能仍然不可接受，此时应考虑使用额外的输入和输出L/C滤波器。

脉冲宽度调制开关模式DC/DC转换器的设计需要在所有工作条件下保持稳定。电感、输出电容（包括ESR）以及补偿电容C6和C7的值会影响开关稳压器环路的稳定性。可以通过观察LM22670的SW引脚开关电压波形以及进行脉动负载测试或负载瞬态响应测试来验证稳定性。如果开关稳压器在测试中出现稳定性问题，应相应地更改输出电容和/或补偿电容C6和C7的值。

总之，LM22670评估板反相拓扑设计为电子工程师提供了一个全面的解决方案，但在实际设计中，我们需要综合考虑各个因素，以确保设计的稳定性和性能。你在实际设计中是否遇到过类似的问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。