深入剖析LM3687评估板：高效电源转换解决方案

在电子设计领域，电源管理是至关重要的一环。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）的LM3687评估板，它为我们提供了一个独立评估LM3687电气性能的平台。

文件下载：LM3687TL-1812EV.pdf

评估板概述

LM3687评估板是为独立评估LM3687的电气性能而设计的。每个评估板在工厂进行了预组装和测试，确保其质量和性能。评估套件有LM3687TL - 1812EV和LM3687TL - 1815EV两种选项。若需要其他电压选项，可从TI网站的LM3687产品文件夹中订购相关设备。

评估板包含LM3687芯片、一个电感器以及连接到地的输入和输出电容器。对于设备电气特性和组件选择的更多信息，可参考《LM3687 Step - Down DC - DC Converter with Integrated Low Dropout Regulator and Startup Mode (SNVS473)》。

LM3687芯片特性

功能特性

LM3687是一款高效同步降压DC - DC转换器，集成了低压差线性稳压器，专为单节锂离子电池或3节镍氢/镍镉电池为超低电压电路供电而优化。它提供双输出，具有固定输出电压，在后调节模式下组合负载电流可达750mA，在独立模式下可达1100mA。

输入电压范围

LM3687能够在输入电压范围为2.7V（ (2.7 ~V ≤V{BATT } ≤5.5 ~V) ）和 (0.7 ~V ≤V{IN_LIN } ≤4.5 ~V) 下工作。同时，它还具备针对短路和过温情况的内部保护功能。

后调节应用优势

在评估板的典型后调节应用中，DC - DC转换器的输出电压用作线性稳压器的电源（ (V_{OUTDCDC }=V{INLIN }) ）。与使用电池电压 (V{BATT }) 作为线性稳压器的电源（ (V_{IN_LIN }) ）相比，这种方式可以实现更高的效率和更低的系统功耗。

对于两种可用的评估套件选项，DC - DC转换器的输出电压均为1.8V，足以作为两种线性稳压器输出电压选项的电源。为了使设备在工作条件下运行， (V{BATT }) 应至少比线性稳压器的输出电压（ (V{OUTLIN }) ）高1.5V，比DC - DC转换器的输出电压（ (V{OUTDCDC }) ）高1.0V（最小值为2.7V）。例如，对于1.8V - 1.2V的组合，最小 (V{BATT }=2.8 ~V) ；对于1.8V - 1.5V的组合，最小 (V_{BATT }=3.0V) 。

评估板设计要点

输入连接

输入连接应保持较短（ (<20 ~cm) ），以最小化输入电感并确保最佳瞬态性能。将连接电源的电线绞合在一起是减少电感的良好做法。

输出控制

评估板通过施加到使能引脚 (V_{EN_DCDC}) 和 (EN_LIN) 的逻辑信号来控制LM3687的输出。为了简化输出使能操作，板上提供了两个“三针跳线”：J5用于使能DC - DC转换器，J6用于使能线性稳压器。两个跳线的中间引脚直接连接到设备的相应使能引脚。可以将最小为1.0V的逻辑信号连接到中间跳线引脚以启用输出，或将最大为0.4V的逻辑信号连接到该引脚以禁用输出。此外，中间引脚也可以短路到其左侧（标记为ON，短路到 (BATT) ）或右侧的引脚。

负载能力与连接

负载限制

如果线性稳压器的输出没有施加额外负载，则从 (V_{OUTDCDC}) 引脚到地可连接最大750mA的负载。对于 (V{OUTLIN}) ，最大负载为350mA。在典型的后调节应用中，线性稳压器的负载由DC - DC转换器提供，因此组合最大负载条件为： (V{OUTLIN}) 处为350mA， (V{OUT_DCDC}) 处为400mA。

连接用途

评估板顶部印有输出电压选项（1812或1815）。“连接器”J1、J2、J3和J4代表通往 (OUT_DCDC) 、 (INLIN) 、 (V{BATT }) 和 (OUT_LIN) 的“感测路径”，可用于更精确的电压测量或连接差分探头。

独立操作

如果需要使两个稳压器独立于后调节模式运行，可以通过切断JP1处两个焊盘之间的走线来移除 (OUT_DCDC) 到 (INLIN) 的连接。然后需要将外部电源连接到 (V{INLIN}) 。 (V{BATT }) 仍然是线性稳压器所需的，它为内部电路供电。需要注意的是， (V_{INLIN}) 任何时候都不能超过 (V{BATT }) 。如果该电源路径中没有其他滤波旁路电容，则需要在 (V_{IN_LIN}) 处添加一个1.0µF的输入电容。

引脚说明与使能组合

引脚描述

Pin#	Name	Description
A1	PGND	电源接地引脚
A2	SGND	信号接地引脚
A3	VOUT LIN	线性稳压器的电压输出
B1	SW	开关节点，连接到内部PFET开关和NFET同步整流器
B2	EN_DCDC	DC - DC转换器的使能输入。当该引脚电压 <0.4V时，DC - DC转换器处于关断模式；当电压 >1.0V时，转换器启用。请勿让此引脚浮空。
B3	VIN LIN	线性稳压器的电源输入
C1	VBATT	DC - DC输出级和内部电路的电源。连接到输入滤波电容
C2	FB_DCDC	DC - DC转换器的反馈模拟输入。直接连接到输出滤波电容
C3	EN LIN	线性稳压器的使能输入。当该引脚电压 <0.4V时，线性稳压器处于关断模式；当电压 >1.0V时，稳压器启用。请勿让此引脚浮空。

使能组合

EN_DCDC	EN_LIN	Comments
0	0	无输出
0	1	仅线性稳压器启用
1	0	仅DC - DC转换器启用
1	1	DC - DC转换器和线性稳压器均激活

需要注意的是，在启动模式下， (INLIN) 必须高于 (V{OUTLINNOM }+200 mV) 才能启用主稳压器（ (I{MAX }=350 ~mA) ）。如果 (V_{INLIN } < V{OUTLIN(NOM)} + 100mV) （100mV迟滞），则启动LDO（ (I{MAX }=50 ~mA) ）将被激活，由 (BATT) 供电。例如，在典型的后调节应用中，LDO将保持在启动模式，直到DC - DC转换器提升其输出电压。

物料清单

Item	Description	Qty	Footprint	Mfg., Part Number
C1	CINLIN，陶瓷电容，1µF，X5R，位于 (V{IN_LIN}) ，在后调节应用中可选，因C4存在可不使用		0603 / 0402
C2	CBATT，陶瓷电容，4.7µF，X5R，位于 (V_{BATT})	1	0805 / 0603	TDK，C1608X5R1A475K
C3	COUTLIN，陶瓷电容，2.2µF，X5R，位于 (V{OUT_LIN})	1	0603 / 0402	TDK，C1608X5R1A225K
C4	COUTDCDC，陶瓷电容，10µF，X5R，位于 (V{OUT_DCDC})	1	0805 / 0603	TDK，C1608X5R0J106K
L1	电感器，2.2µH，1.6A ISAT			Coilcraft，DO3314 - 222MLB
U1	LM3687	1	9 - bump DSBGA	Texas Instruments，YZR0009BBA LM3687
	VBATT， (V_{OUTDCDC}) ， (V{OUT_LIN}) ，2x GND	5		Cambion，160 - 1026 - 02 - 05
J5, J6	用于使能功能的三针跳线	2

应用提示：功耗与设备操作

功耗计算

任何封装的允许功耗是衡量设备将热量从电源（IC的结）传递到最终散热器（周围环境）的能力的指标。因此，功耗取决于环境温度以及管芯与周围空气之间各种界面的热阻。

设备在给定封装中的允许功耗可以使用以下公式计算： [P{D{-} SYS }=left(T{J | MAX }-T{A}right) / theta_{J A}]

对于LM3687，系统功耗（ (P_{Dsys }) ）主要有两个来源：DC - DC转换器（ (P{D{-} DCDC }) ）和线性稳压器（ (P{DLIN }) ）。在忽略开关损耗和静态电流的情况下，这两个主要贡献者可以通过以下公式估算： [P{D{-} DCDC}=I{OUTDCDC}^{2} timesleft[left(R{D S O N(P)} × Dright)+left(R{D S O N(N)} times(1-D)right)right]] 其中，占空比 (D = V{OUTDCDC } / V{BATT }) 。

示例分析

假设在典型的后调节应用中，将 (V{BATT }=3.6 ~V) 转换为 (V{OUTDCDC }=1.8 ~V) ，再进一步转换为 (V{OUTLIN }=1.5 ~V) ，在最大负载电流下，计算得到 (P{D_{-} DCDC }=(0.75 A)^{2} times(0.38 Omega × 1.8 V / 3.6 V+0.25 Omega times(1-1.8 V / 3.6 V))=177 mW) 。

对于DSBGA 9封装， (theta{JA}=70^{circ} C / W) ，这种情况下 (P{Dsys }) 将导致结温 (T{J}) 升高： [Delta T{J}=P{D{S Y S}} × theta{J A}=20 K]

如果线性稳压器由 (V{BATT }) 偏置，在相同条件下， (P{DLIN }) 为735mW， (P{D{-} DCDC }=50 ~mW) （因为 (I{OUTDCDC }=400 ~mA) ），结温升高 (Delta T{J}=55 ~K) 。由此可见，后调节设置具有更低的总功耗，从而实现更高的效率。

总结

LM3687评估板为工程师提供了一个全面评估LM3687电源管理芯片性能的平台。通过合理的设计和应用，我们可以充分发挥其高效、稳定的电源转换能力，满足不同电子设备的电源需求。在实际应用中，工程师们需要根据具体的设计要求和工作条件，综合考虑各种因素，以实现最佳的电源管理解决方案。你在使用类似评估板时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。