LMZ14202EXT：满足严苛环境与应用需求的电源模块

在电子设计领域，电源模块的性能直接影响着整个系统的稳定性和可靠性。今天，我们就来深入了解一款专为严苛环境和坚固应用设计的电源模块——LMZ14202EXT。

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一、产品特性亮点

1. 宽温度范围与集成设计

LMZ14202EXT的结温范围为 -55°C 至 125°C，能适应各种恶劣的工作环境。其集成了屏蔽电感，不仅减少了外部元件的使用，还降低了电磁干扰，同时使得 PCB 布局更加简单。

2. 灵活的启动与保护机制

通过外部软启动和精密使能功能，实现了灵活的启动顺序控制。同时，具备多种保护功能，如防浪涌电流、输入欠压锁定（UVLO）和输出短路保护等，有效提高了系统的可靠性。

3. 高性能表现

具有快速的瞬态响应能力，非常适合为 FPGA 和 ASIC 等对电源要求较高的设备供电。低输出电压纹波特性，确保了电源输出的稳定性。此外，该模块与多个系列的设备引脚兼容，方便进行设计替换和升级。

4. 电气性能优越

最大总输出功率可达 12W，输出电流最高为 2A，输入电压范围在 6V 至 42V 之间，输出电压范围为 0.8V 至 6V，效率最高可达 90%。

5. 良好的电磁兼容性与可靠性

低辐射发射和高辐射抗扰度，使其在复杂的电磁环境中也能稳定工作。并且通过了振动标准 MIL - STD - 883 Method 2007.2 Condition A 和 JESD22 – B103B Condition 1，以及跌落标准 MIL - STD - 883 Method 2002.3 Condition B 和 JESD22 – B110 Condition B，展现出了出色的可靠性。

二、应用领域广泛

1. 负载点转换

可用于 12V 和 24V 输入轨的负载点转换，为各种电子设备提供稳定的电源。

2. 时间关键项目

由于其快速的瞬态响应和稳定的性能，适用于对时间要求较高的项目。

3. 空间受限与高热需求应用

其紧凑的设计和良好的散热性能，使其在空间有限且对热要求较高的应用中表现出色。

4. 负输出电压应用

可满足特定的负输出电压应用需求，具体可参考 AN - 2027 SNVA425。

三、产品详细描述

1. 基本功能

LMZ14202EXT 是一款易于使用的降压 DC - DC 解决方案，能够以出色的功率转换效率、线路和负载调节能力以及输出精度驱动高达 2A 的负载。它采用创新的封装，不仅增强了热性能，还支持手工或机器焊接。

2. 输入输出特性

能接受 6V 至 42V 的输入电压轨，并可提供低至 0.8V 的可调且高精度输出电压。只需三个外部电阻和四个外部电容即可完成电源解决方案。

3. 保护特性

具备热关断、输入欠压锁定、输出过压保护、短路保护、输出电流限制等功能，还允许在预偏置输出的情况下启动。通过单个电阻可将开关频率调节至最高 1MHz。

四、引脚配置与功能

PIN 名称	PIN 编号	TYPE	DESCRIPTION
EN	3	Analog	使能输入，上升阈值标称值为 1.18V，具有 90mV 标称迟滞，最大推荐输入电平为 6.5V
EP	-	Ground	外露焊盘，内部连接到引脚 4，用于在运行期间散发封装热量，必须在封装外部与引脚 4 电气连接
FB	6	Analog	反馈，内部连接到调节、过压和短路比较器，调节参考点在该输入引脚处为 0.8V，通过连接输出和地之间的反馈电阻分压器来设置输出电压
GND	4	Ground	接地，所有规定电压的参考点，必须外部连接到 EP
RON	2	Analog	导通时间电阻，从 VIN 到该引脚的外部电阻设置应用的导通时间，典型值范围为 25kΩ 至 124kΩ
SS	5	Analog	软启动，内部 8μA 电流源对外部电容充电以实现软启动功能，在禁用、过流、热关断和内部 UVLO 条件下，该节点以 200μA 放电
VIN	1	Power	电源输入，标称工作范围为 6V 至 42V，封装组件内包含少量内部电容，该引脚和外露焊盘之间需要额外的外部输入电容
VOUT	7	Power	输出电压，来自内部电感的输出，在该引脚和外露焊盘之间连接输出电容

五、规格参数

1. 绝对最大额定值

• VIN、RON 到 GND： - 0.3V 至 43.5V
• EN、FB、SS 到 GND： - 0.3V 至 7V
• 结温：150°C
• 峰值回流焊壳温（30 秒）：245°C
• 储存温度： - 65°C 至 150°C

2. ESD 评级

人体模型（HBM），±2000V

3. 推荐工作条件

• VIN：6V 至 42V
• EN：0V 至 6.5V
• 工作结温： - 55°C 至 125°C

4. 热信息

• 结到环境热阻（4 层 JEDEC 印刷电路板，100 个过孔，无气流）：19.3°C/W
• 结到环境热阻（2 层 JEDEC 印刷电路板，无气流）：21.5°C/W
• 结到外壳（顶部）热阻（无气流）：1.9°C/W

5. 电气特性

包含使能控制、软启动、电流限制、调节和过压比较器、热特性、性能参数等方面的详细参数。例如，使能阈值上升点标称值为 1.18V，软启动源电流典型值为 8μA，电流限制阈值典型值为 2.6A 等。

6. 开关特性

• 导通定时器最小脉冲宽度：150ns
• 关断定时器脉冲宽度：260ns

7. 典型特性

提供了不同输入电压（6V、12V、24V、36V、42V）和不同温度（25°C、85°C）下的效率和功耗曲线，以及线路和负载调节曲线、输出纹波和瞬态响应波形等，方便工程师在设计时进行参考。

六、详细工作原理

1. COT 控制电路概述

采用恒定导通时间（COT）控制，基于比较器和导通时间单稳态触发器，将输出电压反馈与内部 0.8V 参考进行比较。当反馈电压低于参考时，主 MOSFET 导通一个由编程电阻 RON 确定的固定导通时间，RON 连接到 VIN，随着输入电源电压的增加，导通时间会减少。导通时间结束后，主 MOSFET 至少保持关断 260ns。如果反馈引脚电压再次低于参考电平，则重复导通时间周期，从而实现调节。

2. 功能模块描述

• 输出过压比较器：将 FB 引脚的电压与 0.92V 内部参考进行比较，若 FB 电压超过 0.92V，导通时间立即终止，实现过压保护（OVP）。当 OVP 激活时，顶部 MOSFET 的导通时间将被禁止，直到条件消除，同时同步 MOSFET 将保持导通，直到电感电流降至零。
• 电流限制：在关断时间通过监测同步 MOSFET 中的电流来进行电流限制检测。当顶部 MOSFET 关断时，电感电流通过负载、PGND 引脚和内部同步 MOSFET。如果该电流超过 2.6A（典型值），电流限制比较器将禁用下一个导通时间周期的启动。只有当 FB 输入小于 0.8V 且电感电流降至 2.6A 以下时，下一个开关周期才会发生。
• 热保护：通过内部热关断电路实现热保护，当结温达到 165°C（典型值）时，设备进入低功耗待机状态，主 MOSFET 保持关断，VO 下降，同时 CSS 电容放电到地。当结温降至 145°C（典型值，迟滞 20°C）以下时，SS 引脚释放，VO 平滑上升，恢复正常运行。
• 零线圈电流检测：通过零线圈电流检测电路监测下部（同步）MOSFET 的电流，当电流达到零时，禁止同步 MOSFET 导通，直到下一个导通时间，实现不连续导通模式（DCM），提高轻载效率。
• 预偏置启动：LMZ14202EXT 能够在预偏置输出的情况下正常启动，适用于多轨逻辑应用中不同电源轨之间存在电流路径的启动情况。

3. 设备功能模式

• 不连续导通模式（DCM）和连续导通模式（CCM）选择：轻载时，调节器工作在 DCM 模式，负载电流超过临界导通点时，工作在 CCM 模式。在 DCM 模式下，开关周期从电感电流为零开始，上升到峰值，然后在关断时间结束前回落到零，在此期间负载电流由输出电容提供。DCM 模式下开关频率较低，且随负载电流变化较大，由于负载较小和开关频率较低，传导和开关损耗降低，从而保持转换效率。

七、应用与实现

1. 应用信息

LMZ14202EXT 是一款降压 DC - DC 电源模块，通常用于将较高的直流电压转换为较低的直流电压，最大输出电流为 2A。可以通过手动设计或使用 WEBENCH 软件来选择组件进行设计。

2. 典型应用

给出了评估板的原理图和物料清单，包括各个元件的型号、参数和制造商等信息。同时，详细介绍了设计步骤，如选择最小工作 VIN 和使能分压器电阻、通过分压器电阻选择编程 VO、选择软启动电容、选择 CO 和 CIN、设置工作频率、确定模块功耗以及进行 PCB 布局等。

3. 设计步骤详解

• 使能分压器选择：使能输入提供精确的 1.18V 带隙上升阈值，可直接进行逻辑驱动或连接到来自较高使能电压（如 VIN）的分压器。使能输入还具有 90mV（典型值）的迟滞，下降阈值为 1.09V。最大推荐输入到 EN 引脚的电压为 6.5V。通过选择合适的分压器电阻，可以实现可编程欠压锁定功能，常用于电池供电系统中防止电池深度放电，或在系统设计中用于输出轨的排序。
• 输出电压选择：输出电压由连接在 VO 和地之间的两个电阻分压器确定，分压器中点连接到 FB 输入。FB 引脚电压与 0.8V 内部参考进行比较，当 FB 引脚电压低于 0.8V 时，启动导通时间周期，使输出电压上升。通过选择合适的反馈电阻，可以设置所需的输出电压。同时，在 RFBT 上并联一个前馈电容可以改善负载阶跃瞬态响应。
• 软启动电容选择：可编程软启动允许调节器在使能后缓慢上升到稳态工作点，减少输入电源的浪涌电流，减缓输出电压上升时间，防止过冲。内部 8μA 电流源对外部软启动电容充电，达到稳态运行的软启动时间由公式 (t{SS}=V{REF} × C{SS} / I{SS}) 计算。使用 0.022μF 电容可实现 2.2ms 的软启动时间，这是推荐的最小值。在使能输入拉低、热关断、过流故障和内部 VCC UVLO 等情况下，软启动电容将通过内部 200μA 电流沉放电到地。
• CO 选择：模块内部不包含所需的 CO 输出电容，输出电容至少要满足最坏情况下最小纹波电流额定值 (0.5 × I{LRP - P}) ，增加电容可以降低输出纹波，但 ESR 要足够低。一般需要至少 10μF 的电容，建议使用陶瓷电容或其他低 ESR 类型的电容。可以通过公式 (C{O} geq I{STEP } × V{FB} × L × V{IN} / (4 × V{O} × (V{IN} - V{O}) × V_{OUT - TRAN})) 进行初步估算。
• CIN 选择：LMZ14202EXT 模块内部包含一个 0.47μF 的输入陶瓷电容，外部需要额外的输入电容来处理应用的输入纹波电流。输入电容应靠近模块放置，选择输入电容主要考虑满足输入纹波电流要求。最坏情况下的输入纹波电流额定值由公式 (I(C{IN(RMS)}) cong 1 / 2 × I{O} × sqrt(D / 1 - D)) 计算，其中 (D cong V{O} / V{IN}) 。推荐的最小输入电容为 10μF 的 X7R 陶瓷电容，电压额定值至少比应用的最大输入电压高 25%。如果系统设计需要维持一定的最小输入纹波电压 (Delta V{IN}) ，可以使用公式 (C{IN} geq I{O} × D × (1 - D) / f{SW - CCM} × Delta V_{IN}) 进行计算。此外，可能需要额外的大容量电容来抑制输入电容和输入电源线寄生电感的谐振效应。
• RON 电阻选择：可以根据所需的开关频率使用公式 (f{SW(CCM)} cong V{O} / (1.3 × 10^{-10} × R{ON})) 来选择 RON 电阻。RON 电阻的选择要受到 COT 控制部分导通时间和关断时间的限制，导通时间 (t{ON} = (1.3 × 10^{-10} × R{ON}) / V{IN}) ，最大 VIN 时的导通时间应大于 150ns。同时，最小关断时间 260ns 限制了最大占空比，在需要大占空比的应用中，需要选择较大的 RON（较低的 FSW）。在 DCM 模式下，开关频率可以通过公式 (f{SW(DCM)} cong V{O} × (V{IN} - 1) × 10μH × 1.18 × 10^{20} × I{O} / (V{IN} - V{O}) × R_{ON}^{2}) 计算。

4. 应用曲线

提供了效率曲线、热降额曲线和辐射发射曲线等，帮助工程师了解模块在不同条件下的性能表现。

八、电源供应建议

LMZ14202EXT 设计用于在 6V 至 42V 的输入电压范围内工作，输入电源必须稳压，能够承受最大输入电流并保持稳定的电压。输入电源轨的电阻要足够低，以防止输入电流瞬变导致 LMZ14202EXT 电源电压下降过大，从而触发错误的 UVLO 故障和系统复位。如果输入电源距离 LMZ14202EXT 较远，可能需要额外的大容量电容。

九、PCB 布局

1. 布局准则

• 最小化开关电流回路面积：从减少 EMI 的角度出发，要尽量减少 PCB 布局中高 di/dt 路径。将输入电容 (C_{IN 1}) 尽可能靠近 LMZ14202EXT 的 VIN 和 GND 外露焊盘放置，以最小化高 di/dt 区域，降低辐射 EMI。输入和输出电容的接地应采用局部顶层平面连接到 GND 外露焊盘（EP）。
• 单点接地：反馈、软启动和使能组件的接地连接必须路由到设备的 GND 引脚，以防止开关或负载电流在模拟接地迹线中流动，避免影响负载调节或导致输出电压纹波不稳定。从引脚 4 到 EP 提供单点接地连接。
• 最小化到 FB 引脚的迹线长度：反馈电阻 (R{FBT}) 和 (R{FBB}) 以及前馈电容 (C{FF}) 应靠近 FB 引脚放置。由于 FB 节点是高阻抗的，要尽量减小铜面积。 (R{FBT}) 、 (R{FBB}) 和 (C{FF}) 的迹线应远离 LMZ14202EXT 主体，以减少噪声。
• 加宽输入和输出总线连接：加宽输入和输出总线连接可以减少转换器输入或输出的电压降，提高效率。为了优化负载处的电压精度，应确保为负载提供单独的反馈电压检测迹线。
• 提供足够的散热：使用散热过孔阵列将外露焊盘连接到 PCB 底层的接地