ADP1822评估板：设计、测试与应用全解析

引言

在电子设计领域，电源管理是至关重要的一环。ADP1822评估板作为一款用于PWM、降压型DC - DC控制器的评估工具，具有广泛的应用前景。本文将深入探讨ADP1822评估板的设计、操作、测试以及关键组件的选择，为电子工程师们提供全面的参考。

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ADP1822概述

ADP1822是一款多功能且经济实惠的同步降压PWM控制器。其转换器电源输入电压范围为1V至24V，而控制器的工作电压范围为3.0V至5.5V。它的自由运行频率可通过逻辑选择为300kHz或600kHz，也能与300kHz至1.2MHz之间的外部时钟同步。内部栅极驱动器控制全N沟道功率级，可调节低至0.6V的转换器输出电压，最大负载电流可达20A。此外，它还具备输出电压跟踪、动态调整、软启动、限流和短路保护以及电源良好逻辑输出等功能，适用于电信、医疗成像、高性能服务器和工业应用等众多领域。

评估板规格

描述	参数
V IN	12 V
V OUT	1.8 V
频率	300 kHz
最大I OUT	10 A
电流限制	15 A
高低电压裕量	5%

测试说明

测试步骤

1. 确保跳线2处于断开状态，给评估板上电，此时输出电压应为1.8V。
2. 若跳线1短路，需更换电感器以适应600kHz的操作。
3. 当跳线3短路时，输出高裕量为1.89V；当跳线4断开时，输出低裕量为1.71V。
4. 连接外部发生器到TRKN点，验证输出电压跟踪功能。
5. 使用PWGD点监测操作行为。

跳线和连接器说明

名称	描述	默认状态
M1	VIN
M2	GND In
M3	VIN
M4	GND Out
跳线1	断开：300 kHz；短路：600 kHz	断开
跳线2	断开：启用评估板；短路：禁用评估板	断开
跳线3	断开：输出电压正常模式；短路：激活电压裕量	断开
跳线4	断开：高裕量；短路：低裕量	断开

组件选择

输入电容

在连续模式下，高端MOSFET的源电流是占空比为VOUT/VIN的方波。为防止大的电压瞬变，应使用低ESR的输入电容，并根据最大均方根电流进行选型。最大均方根电容电流为IL√D(1 - D)。

输出电感

在高开关频率应用中，电感大小对性能有重要影响。电感过大，dI/dt过低，无法快速响应负载变化；电感过小，输出纹波会过高。因此，若需要良好的瞬态响应，在电容允许的最大纹波电流和磁芯最大耗散（磁芯温度）的约束下，选择较小的电感和较大的电容更为合适。输出电感可根据公式[L=frac{V{OUT }}{I{OUT } K{CR } f{SW}}(1-D)]选择，其中KCR一般选择在20% - 40%之间。

输出电容

输出电容的选择由ESR和电容值决定。输出电压纹波可近似表示为[Delta V{OUT }=Delta I{L}left(ESR+frac{1}{8 f{S W} C{OUT }}right)]。一般来说，电容或ESR引起的电压纹波取决于所选电容。由于MLCC电容具有低ESR的特点，因此推荐使用。在输出负载瞬变时，所需的电容量由电感中存储的最大能量决定。电容必须足够大，以吸收从高电流到低电流过渡时电感电流的变化，并在从低电流到高电流过渡时为负载供电。可根据公式[C{OUT, minl }=frac{Delta I{OUT }^{2} L}{2 V{OUT } Delta V{up }}]和[C{OUT, min 2}=frac{Delta I{OUT }^{2} L}{2left(V{IN }-V{OUT }right) Delta V{down }}]计算最小电容值，并选择大于两者的输出电容。同时，要确保输出电容的纹波电流额定值大于(I{COUT }=sqrt{frac{Delta I_{L}^{2}}{12}})。

MOSFET选择

MOSFET的选择直接影响DC - DC转换器的性能。MOSFET应具有低导通电阻（RDSON）以降低传导损耗，以及低栅极电荷以降低开关损耗。对于低端（同步）MOSFET，主要损耗为传导损耗，可通过公式[P{C, low }=(1-D)left(I{OUT }^{2}+frac{Delta I{L}^{2}}{12}right) R{DSON }]计算。栅极电荷损耗可近似表示为[P{G}=V{G} Q{G} f{S W}]。高端（开关）MOSFET需要处理传导损耗和开关损耗，开关损耗可近似为[P{T}=frac{V{I N} I{L}left(t{R}+t{F}right) f{S W}}{2}]，其中tR和tF可通过相关公式计算。高端MOSFET的传导损耗可通过公式[P{C, high }=Dleft(I{OUT }^{2}+frac{Delta I{L}^{2}}{12}right) R{D S O N}]计算。

输出电压

FB引脚的调节阈值为0.6V，最大输入偏置电流为100nA。为获得最佳精度，底部电阻R2应不高于50kΩ，但过低的R2值会消耗过多功率，建议选择1kΩ至10kΩ的1%电阻。上部分压电阻R1可通过公式[R 1=R 2 frac{V_{OUT }-0.6}{0.6}]设置。

电流限制设置电阻

CSL引脚的电压可通过公式[V{CSL}=I{CSL}left(R{CSL}+R{DSONlow }right)-left(I{L}+frac{Delta I{L}}{2}right) R{DSONlow }]计算。电阻RCSL可通过公式[R{CSL }=frac{left(I{limit }+frac{Delta I{L}}{2}right) R_{DSONlow }}{I{CSL }}]计算。

软启动设置

软启动特性由连接在SS和GND之间的电容决定。ADP1822通过内部电阻将Css充电至0.8V，当VCSS = 0.6V时达到软启动周期（tss），电容值可通过公式[C{SS}=frac{t{SS}}{-ln left(1-frac{0.6}{0.8}right) × 100 k Omega}]计算。

输出电压跟踪

ADP1822具有内部比较器，可在启动时使输出电压跟踪外部电压，防止输出电压超过跟踪电压。当正跟踪（TRKP）输入电压超过负跟踪（TRKN）输入电压时，比较器会关闭高端开关。将TRKP连接到输出电压，用要跟踪的电压驱动TRKN。若TRKN处的电压低于调节电压，输出电压将被限制在TRKN处的电压；若TRKN处的电压高于调节电压，输出电压将调节到分压器设定的期望电压。

输出电压裕量

ADP1822具有输出电压裕量功能。MSEL是裕量选择输入，将MSEL驱动为高电平可激活电压裕量功能，驱动为低电平可将输出电压调节到标称值。若不使用，将MSEL连接到GND。MAR是裕量控制输入，与MSEL配合使用以控制输出电压裕量。当MSEL驱动为高电平时，MAR可选择高电压或低电压裕量。若不使用，将MAR连接到GND。

控制环路设计与方程

功率级传递函数

ADP1822的功率级传递函数为[G{V D}(s)=frac{V{OUT }(s)}{D(s)}=frac{V{I N}}{1+frac{R{L}}{R}} × frac{1+R{C} × C × s}{1+frac{s}{Q omega{O}}+frac{s^{2}}{omega{O}^{2}}}]，其中(omega{0}=frac{sqrt{frac{R{L}+R}{R{C}+R}}}{sqrt{L C}})，(Q=frac{frac{R{L}}{R}+1}{frac{L}{R}+left(R{L}+R{C}right) × C+frac{R{C} R{L} C}{R}} cdot frac{1}{omega{O}})，RC为输出电容的ESR，Rl为输出电感的串联电阻。

控制电路与传递函数

补偿传递函数的方程为[G{E A}(s)=k frac{left(1+frac{s}{2 pi f{Z 1}}right)left(1+frac{s}{2 pi f{Z 2}}right)}{left(1+frac{s}{2 pi f{P 1}}right)left(1+frac{s}{2 pi f{P 2}}right)}]，其中(k=-frac{R 3}{R l})，(f{z 1}=frac{1}{2 pi R 3 Cl 7})，(f{Z 2}=frac{1}{2 pi(R 1+R 2) C 18})，(f{p 1}=frac{1}{2 pi R 3 frac{C 17 cdot C 19}{C l 7+C 19}})，(f_{P 2}=frac{1}{2 pi R 4 C 18})。开关频率为300kHz，为获得最佳性能，建议将交叉频率设置为开关频率的1/10，即约60kHz。较低的交叉频率会导致动态响应不佳，而较高的交叉频率可能导致不稳定。通常，最佳性能来自于允许足够增益和相位裕度的最高可能交叉频率，建议相位裕度在40°至60°之间。

整体环路增益

整体控制环路的传递函数为[T(s)=frac{G{V D}(s) × G{E A}(s)}{V_{R A M P}}]，其中VRAMP为ADP1822控制器的PWM峰值斜坡电压（通常为1.25V）。选择补偿组件时，可遵循以下准则：

1. 设置环路增益交叉频率fC，将交叉频率fC设置在fsw / 10可实现快速响应。
2. 用补偿器极点fP1抵消ESR零点fZ。
3. 放置高频极点fP2以实现开关纹波和高频噪声的最大衰减。
4. 在功率级谐振频率f0附近放置两个补偿器零点，通常将fZ1放置在f0以下，将fZ2放置在f0和fC之间。
5. 检查相位裕度以确保良好的调节性能。

测试结果与主要波形

通过实际测试，我们得到了输出电压纹波、效率与负载电流关系、输出跟踪、负载瞬态响应、输出电压裕量等波形，这些波形直观地展示了ADP1822评估板的性能。例如，在不同负载下的输出电压纹波情况，以及效率随负载电流的变化趋势等，为工程师们评估和优化设计提供了重要依据。

PCB布局指南

接地平面

使用单独的模拟和电源接地平面，将模拟电路连接到模拟地，将功率电路连接到电源地。

走线要求

从高端MOSFET和低端MOSFET到ADP1822的DH和DL引脚的走线应相对短而宽，以降低电感。

元件布局

将Q1的源极和Q2的漏极放置得非常靠近，以最小化电感，使用宽铜走线进行连接，但要注意避免过多铜面积增加电容耦合共模噪声。将陶瓷输入去耦电容（C2、C3和C4）靠近Q1的漏极和Q2的源极放置，将C13和C14靠近IC的VIN引脚放置，补偿组件应尽可能靠近FB引脚放置，连接R7的走线应直接连接到Q2的漏极以确保理想的开尔文连接。

评估板原理图与布局

ADP1822评估板的原理图展示了各个组件的连接关系，包括MOSFET、电感、电容、电阻等。布局图则呈现了元件在PCB上的具体位置，为工程师们进行实际设计和调试提供了清晰的参考。

订购信息与物料清单

订购信息

可根据需求向相关供应商订购ADP1822评估板。

物料清单

详细列出了ADP1822典型应用电路所需的元件，包括电容、电感、MOSFET、电阻、二极管等，以及它们的制造商、型号、设计标识和数量，方便工程师们进行采购和组装。

注意事项

ADP1822评估板是静电放电（ESD）敏感设备，在操作过程中应采取适当的ESD预防措施，以避免性能下降或功能丧失。同时，使用评估板需遵守相关的法律条款和条件，包括授权使用范围、保密要求、限制使用行为等。

总之，ADP1822评估板为电子工程师们提供了一个全面的电源管理解决方案。通过深入了解其设计、操作、测试和组件选择等方面的知识，工程师们可以更好地利用该评估板进行电源设计和优化，满足不同应用场景的需求。你在使用ADP1822评估板的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享。