LM3691评估板：降压DC - DC转换器的实用之选

一、引言

在电子设计领域，DC - DC转换器是为各种电路提供稳定电源的关键组件。今天我们要探讨的是德州仪器（Texas Instruments）的LM3691评估板，它是一款降压DC - DC转换器的工作演示板，对于工程师们来说，了解它的特性和使用方法能为电源设计带来诸多便利。

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二、LM3691转换器概述

（一）应用场景与优势

LM3691降压DC - DC转换器专为从单节锂离子电池或3节镍氢/镍镉电池为超低电压电路供电而优化。它能够在2.3V至5.5V的输入电压范围内提供高达1A的负载电流，并且有多种不同的固定电压输出选项。这使得它在便携式应用中具有很大的优势，比如手机、平板电脑等设备的电源设计。

（二）工作模式

LM3691有一个模式控制引脚，允许用户选择强制PWM模式或自动模式。在自动模式下，它会根据负载情况在ECO模式和PWM模式之间自动切换。在轻负载条件下，ECO模式能提供卓越的效率和非常低的静态电流（(I_{q})），这对于延长电池续航时间非常重要。

（三）封装与外部组件

该转换器采用6凸点DSBGA封装，仅需要三个外部表面贴装组件，分别是1μH电感、4.7μF输入电容和4.7μF输出电容。这种简洁的设计减少了电路板空间的占用，也降低了成本。

三、工作条件

（一）输入电压与负载电流

LM3691的输入电压范围为2.3V至5.5V，推荐的负载电流范围是0mA至1000mA。在这个范围内，转换器能够稳定工作，为负载提供可靠的电源。

（二）温度范围

其结温（(T{j})）范围是 - 30°C至 + 125°C，环境温度（(T{A})）范围是 - 30°C至 + 85°C。这表明它在较宽的温度环境下都能正常工作，但在实际应用中，我们还是要注意散热设计，以确保其性能的稳定性。

四、引脚说明

引脚DSBGA	名称	描述
A1	EN	使能引脚。当该引脚电压 < 0.4V时，设备处于关机模式；当电压 > 1.2V时，设备启用。不要让此引脚悬空。
B1	MODE	模式引脚。Mode = 1为强制PWM模式；Mode = 0为ECO模式。不要让此引脚悬空。将模式引脚设置为低电平（< 0.4V），LM3691进入ECO模式；在自动模式下，设备根据负载自动在ECO/PWM之间切换；将模式引脚设置为高电平（> 1.2V），设备进入强制PWM模式，无论负载情况如何。
C1	FB	反馈模拟输入。直接连接到输出滤波电容。
A2	VIN	电源输入。连接到输入滤波电容。
B2	SW	开关节点，连接到内部PFET开关和NFET同步整流器。
C2	GND	接地引脚。

五、物料清单（BOM）

制造商	部件编号	描述	标识	数量
Texas Instruments	LM3691	DC/DC转换器	U1	1
TDK	C1608X5R0J475K	4.7 µF，6.3V，0603陶瓷电容	C1	1
TDK	C1608X5R0J475K	4.7 µF，6.3V，0603陶瓷电容	C2	1
Murata	LQM2HPN1R0MG0	1 µH多层芯片电感	L1	1

六、DSBGA封装的组装与使用

（一）特殊要求

使用DSBGA封装需要专门的电路板布局、精确的安装和仔细的回流技术。具体可参考AN - 1112 DSBGA晶圆级芯片尺寸封装（SNVA009）。在组装时，建议使用PCB板上的对齐坐标来方便器件的放置。

（二）焊盘设计

DSBGA封装使用的焊盘样式必须是NSMD（非阻焊定义）类型，即阻焊层开口要大于焊盘尺寸，这样可以防止阻焊层和焊盘重叠形成的边缘影响器件与电路板表面的贴合，避免安装问题。

（三）走线设计

LM3691的6凸点封装使用300微米的焊球，需要10.82密耳的焊盘用于安装在电路板上。每个焊盘的走线应以90°的角度进入焊盘，以防止碎屑卡在深角处。最初，每个焊盘的走线宽度应为7密耳，长度约7密耳或更长，作为热缓解。然后，每条走线应逐渐调整到最佳宽度，重要的是要保证对称性，以确保LM3691上的焊球均匀回流，使器件与电路板平整焊接。特别是要特别注意A2和C2凸点的焊盘，因为GND和(V_{IN})通常连接到大型铜平面。

（四）光敏感性

DSBGA封装在红色或红外不透明外壳的应用中针对最小尺寸进行了优化。但由于它缺乏较大器件的塑料封装特性，对光比较敏感。背面金属化和/或环氧涂层，以及印刷电路板的正面遮光可以降低这种敏感性。不过，该封装的芯片边缘是暴露的，特别是DSBGA器件对照射在封装暴露芯片边缘的红色和红外光敏感。

七、电路板布局考虑

（一）布局的重要性

PC电路板布局是DC - DC转换器设计的重要部分。不良的布局会导致EMI、接地反弹和走线中的电阻电压损失，从而干扰DC - DC转换器和周围电路的性能，可能向DC - DC转换器IC发送错误信号，导致调节不良或不稳定。此外，不良的布局还可能导致回流问题，使DSBGA封装与电路板焊盘之间的焊点质量不佳，影响性能。

（二）布局规则

1. 焊盘与走线：将LM3691放置在10.82密耳的焊盘上，作为热缓解，用7密耳宽、约7密耳长的走线连接每个焊盘，然后逐渐增加走线到最佳宽度，确保对称性以保证焊球均匀回流。
2. 组件距离：将LM3691、电感和滤波电容靠近放置，并使走线尽可能短。这些组件之间的走线承载相对较高的开关电流，会像天线一样辐射噪声，遵循此规则可减少辐射噪声。特别要注意将输入滤波电容非常靠近(V_{IN})和GND引脚放置。
3. 电流环路：安排组件使开关电流环路朝同一方向卷曲。在每个周期的前半部分，电流从输入滤波电容通过LM3691和电感流向输出滤波电容，再通过接地返回，形成一个电流环路；在周期的后半部分，电流从接地通过电感被LM3691拉到输出滤波电容，然后通过接地返回，形成第二个电流环路。使这些环路的电流卷曲方向相同可以防止两个半周期之间的磁场反转，减少辐射噪声。
4. 接地连接：使用大量的组件侧铜填充作为伪接地平面，将LM3691和滤波电容的接地引脚连接在一起，然后通过多个过孔将其连接到接地平面（如果使用）。这样可以减少接地平面噪声，防止开关电流在接地平面中循环，同时通过提供低阻抗接地连接减少LM3691的接地反弹。
5. 功率走线：在功率组件之间和DC - DC转换器电路的电源连接中使用宽走线，以减少走线电阻损失引起的电压误差。
6. 噪声敏感走线：将电压反馈路径等噪声敏感走线远离功率组件之间的嘈杂走线。电压反馈走线必须靠近LM3691电路，应直接从FB连接到输出电容处的(V_{OUT})，并与噪声组件反向布线，以减少辐射到DC - DC转换器自身电压反馈走线上的EMI。
7. 敏感电路布局：将诸如无线电IF模块等噪声敏感电路远离DC - DC转换器、CMOS数字模块和其他嘈杂电路。通过增加距离可以减少系统中噪声敏感电路受到的干扰。例如，在手机中，常见的做法是将DC - DC转换器放置在电路板的一个角落，围绕它安排CMOS数字电路（因为它们也会产生噪声），然后将敏感的前置放大器和IF级放置在对角的角落。通常，敏感电路会用金属屏蔽罩屏蔽，并使用低压差线性稳压器对其电源进行后调节，以减少传导噪声。

八、评估板使用的相关条款

（一）使用目的限制

评估板仅用于产品或软件开发人员在研发环境中对德州仪器半导体产品进行可行性评估、实验或科学分析，不得直接或间接组装到任何成品中，也不得用于消费或家庭用途，不能进行商业销售、分许可、租赁、出租、出借、转让或分发。

（二）有限保修

德州仪器保证评估板在交付用户后的90天内符合其公布的规格。但对于因非德州仪器原因导致的缺陷，如疏忽、滥用、不当安装或测试、产品被非德州仪器实体更改或修改等情况，德州仪器不承担责任。如果评估板不符合保修条件，德州仪器的唯一责任是选择修理、更换评估板或为用户账户贷记相应金额。

（三）监管通知

不同国家和地区对评估板有不同的监管要求，如美国的FCC规定、加拿大的Industry Canada规定以及日本的相关法规等。用户在使用评估板时需要遵守这些规定，否则可能会面临法律问题。

（四）使用限制和警告

评估板不得用于功能安全和/或安全关键评估，包括但不限于生命支持应用评估。用户在操作评估板前必须阅读并遵循用户指南和其他相关文档中的警告和限制通知，在德州仪器推荐的规格和环境条件下操作，确保安全使用。同时，用户需要自行承担评估板的使用是否符合相关法律法规的责任，以及正确处置和回收评估板的责任。

（五）其他条款

德州仪器尽量确保提供的评估板信息准确，但不保证其网站上评估板描述、可用性或其他信息的准确性、完整性、可靠性、及时性或无错误。评估板及其相关设计材料按“现状”提供，德州仪器不承担其他明示或暗示的保证责任。此外，还规定了损害赔偿和责任限制、退货政策、适用法律等条款。

总之，LM3691评估板为电子工程师提供了一个方便的平台来评估和使用降压DC - DC转换器。在设计过程中，我们需要充分考虑其特性和要求，遵循相关的布局规则和使用条款，以确保设计的可靠性和安全性。你在使用类似评估板的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享。