20A降压型DC - DC控制器评估板EVAL - ADP1828HC设计解析

在电子设计领域，DC - DC控制器评估板的设计至关重要，它能帮助工程师快速验证和应用相关技术。今天我们就来深入探讨一下20A降压型DC - DC控制器评估板EVAL - ADP1828HC。

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评估板概述

EVAL - ADP1828HC评估板主要用于评估ADP1828控制器。其输入电压范围为6V至18V，输出电压固定为1.8V，最大负载电流可达20A。为了在效率和功率元件尺寸之间取得良好平衡，设计中选择了300kHz的开关频率。

ADP1828器件特性

ADP1828是一款同步PWM电压模式降压控制器，它驱动全N沟道功率级，能将输出电压调节至低至0.6V，最高可达输入电压的85%，适合处理大尺寸MOSFET，适用于各种高功率应用，如DSP和处理器核心I/O电源，以及电信、医疗成像、PC、游戏和工业应用中的通用电源。

它的输入电压范围为3V至18V，内部LDO在输入电压为5.5V至18V时可产生5V输出。开关频率可通过引脚选择固定为300kHz或600kHz，也可使用电阻设置在300kHz至600kHz之间的任意频率，还能与外部时钟同步，最高可达开关频率的2倍。其时钟输出可用于同步ADP1828或其他器件，如ADP1829，无需外部时钟源。此外，它还具备软启动保护、预充电输出的软启动反向电流保护、电压跟踪、电源良好指示以及利用外部MOSFET感应的可调无损电流限制方案，采用20引脚QSOP封装。

关键元件设计

电感选择

本设计选用了Würth Elektronik Group的744355182型号电感，电感值为0.82μH，饱和电流额定值为27A。这是一款采用铁氧体磁芯的紧凑型扁平线电感，具有低直流电阻（RDC）和低磁芯损耗的优点。

输入电容选择

对于输入电压高达18V、负载高达20A的情况，可使用35V多层陶瓷电容器（MLCC），但成本较高且需要多个。也可选择价格便宜的铝电解电容器，但它们体积大、笨重，且在低温下等效串联电阻（ESR）较大。本设计最终选用了Sanyo的OS - CON™聚合物电容器，这种电容器尺寸相对较小、ESR低且具有高电流纹波额定值。当输入电压为18V、电感为0.82μH时，电感电流纹波约为6.6A，输入电容器的电流额定值必须大于6.6A。因此，将两个20SP180M（180μF/20V，每个纹波额定值为4.28A）的OS - CON电容器并联，可提供8.56A的有效纹波额定值，满足设计要求。

输出电容选择

输出电压纹波可通过公式(Delta V{OUT }=Delta I{L} sqrt{ESR^{2}+left(frac{1}{8 f{SW} C{OUT }}right)^{2}+left(4 f_{SW} ESLright)^{2}})近似计算。对于20A的阶跃负载，抑制电流纹波需要较大的大容量电容（约1000μF），使用十个100μF的MLCC成本较高。本设计选用了POSCAP™聚合物电容器，因其占地面积小、高度低且ESR低。

为实现快速负载阶跃响应和合理的过冲电压，需要计算输出的最小电容，计算公式为(C{OUT, min1 }=frac{Delta I{LOAD }^{2} L}{2 V{OUT } Delta V{up }})和(C{OUT, min2 }=frac{Delta I{LOAD }^{2} L}{2left(V{IN}-V{OUT }right) Delta V_{down }})。最终选择两个1000μF的POSCAP电容器（2R5TPD1000M5，100μF/2.5V，5mΩ，6A电流纹波额定值）和一个47μF的MLCC作为输出电容，两个POSCAP电容器并联可提供12A的有效电流纹波额定值，POSCAP电容器抑制大电流纹波，47μF的MLCC抑制高频纹波。

MOSFET选择

一般来说，高端MOSFET应选择上升和下降时间快、输入电容低的型号，对于低占空比电路，快速的上升和下降时间尤为重要，因为开关损耗较高。低端MOSFET应选择导通电阻（(R_{DSON})）低的型号，开关速度不是关键因素，因为低端MOSFET没有开关损耗，仅在死区时间内，低端MOSFET的体二极管会有少量功率损耗。

本设计的占空比范围为10%至30%（输入电压为6V至18V），因此选择具有快速开关和低输入电容的高端MOSFET以及低(R{DSON})的低端MOSFET至关重要。Infineon Technologies的BSC080N03LS（PG - TDSON - 8或Super - SO8封装）具有快速的上升和下降时间（3ns）、低输入电容（1.2nF）和低(R{DSON})（在(V{GS}=4.5V)时为12mΩ），非常适合作为20A应用中的高端MOSFET。低端MOSFET选用两个Infineon Technologies的BSC030N03LS并联，在(V{GS}=4.5V)时，(R_{DSON})为4.7mΩ。虽然DPAK封装的功率MOSFET热阻低，但寄生电感比PowerPAK高，可能会导致SW节点过度振铃，降低重载时的效率。

其他设计要点

软启动

软启动周期由公式(C{SS}=8.015 × t{SS})确定，本设计选择(C_{SS})为150nF，可实现19ms的软启动周期。

电流限制

外部电流限制电阻可通过公式(R{CL}=frac{left(I{LIMIT}+frac{Delta I{L}}{2}right) R{DSON}-38 mV}{42 mu A})计算，其中(Delta I{L})可通过(Delta I{L}=frac{V{OUT }(1 - D)}{f{SW} × L})近似计算。在本设计中，MOSFET BSC030N03LS在(V{GS}=4.5V)时(R{DSON})为4.7mΩ，两个并联后的有效(R{DSON})为2.35mΩ，当输入电压为18V时，(Delta I{L})计算为6.6A。若(I{LIMIT})设置为25A，则(R{CL})计算为1.33kΩ。需要注意的是，MOSFET的(R_{DSON})在不同器件之间可能会有超过25%的差异，在温度范围内变化可能超过50%，因此实际电流限制在不同器件和温度范围内可能会有超过50%的变化。

开关噪声和过冲抑制

在SW和PGND之间添加RC缓冲器可以降低SW节点和外部MOSFET漏极的噪声和振铃。本设计中添加的RC缓冲器，(R{SNUB})为3.01Ω，(C{SNUB})为1.2nF。此外，添加栅极电阻可以降低MOSFET漏极的过冲电压。

补偿设计

由于每个输出POSCAP电容器的ESR较低（5mΩ），本设计采用了III型补偿。评估板的补偿值已优化为：(R{FF}=7.5 k Omega)，(C{FF}=680 pF)，(R{z}=20 k Omega)，(C{1}=5.6 nF)，(C{HF}=33 pF)，(R{TOP }=20 k Omega)，(R_{BOT}=10 k Omega)。

测试结果

评估板进行了多项测试，包括输出纹波、效率与负载电流关系、软启动到预充电负载、负载瞬态、线路瞬态、电感电流波形、负载调节和线路调节等测试。这些测试结果为评估板的性能提供了有力的数据支持。

操作说明

使用评估板时，需要按照以下步骤进行操作：

1. 将跳线JP3置于导通位置以启用ADP1828。
2. 不要连接跳线J7（VIN至VREG）。
3. 将跳线JP2（FREQ）连接到300kHz位置。
4. 若不使用SYNC功能，将跳线J11（SYNC）连接到GND；若使用SYNC功能，将SYNC连接到外部时钟或另一个ADP1828的CLKOUT。
5. 将跳线JP1（CLKSET）连接到高电平，设置CLKOUT为内部振荡器频率的2倍且与振荡器同相；或连接到低电平，设置CLKOUT为振荡器频率的1倍且与振荡器反相180°。
6. 将输入电源的正极连接到输入端子J8。
7. 将负载连接到输出端子J13。

总结

EVAL - ADP1828HC评估板为工程师提供了一个全面的平台，用于评估ADP1828控制器在20A降压应用中的性能。通过合理选择元件和优化设计，该评估板能够实现高效、稳定的电源转换。在实际应用中，工程师可以根据具体需求对元件进行调整和优化，以满足不同的应用场景。你在设计类似评估板时，是否也会遇到元件选择和参数计算的难题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。