深入解析LM20123评估板：设计与应用指南

在电源管理的世界里，高效、稳定的电压转换是众多电子设备正常运行的关键。今天，我们就来深入探讨一下德州仪器（TI）的LM20123评估板，看看它在降压开关稳压器领域的表现和设计要点。

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一、LM20123芯片概述

LM20123是一款功能齐全的降压开关稳压器，能够驱动高达3A的负载电流。其标称1.5MHz的开关频率，在减小功率级组件尺寸的同时，还能保证高效运行。它可以将2.95V至5.5V的输入电压转换为低至0.8V的输出电压。此外，该芯片还具备多种故障保护功能，如逐周期电流限制、输出电源正常指示和输出过压保护等。双功能软启动/跟踪引脚可控制启动响应，精密使能引脚则便于在有排序要求的应用中对其进行排序。芯片采用HTSSOP - 16封装，带有外露焊盘，可增强散热性能。

二、评估板设计特点

2.1 尺寸与布局

评估板在两层PCB上的尺寸略小于1.3” x 1.1”，所有组件都放置在顶层，在整体解决方案尺寸和稳压器效率之间取得了平衡。

2.2 输入输出电压

评估板的功率级和补偿组件针对5V输入电压进行了优化，但测试时输入电压可在整个工作范围内变化。输出电压标称值为1.2V，通过更换反馈电阻（(R{FB 1})或(R{FB 2}) ）可以轻松更改该电压。

2.3 控制环路补偿

评估板的控制环路补偿设计，旨在在整个输入和输出电压范围内提供稳定的解决方案，并具备合理的瞬态响应。使能引脚（EN）电压需高于1.18V（典型值）才能启动开关操作。若不需要使能功能，应将EN引脚外部连接到(V_{IN}) 。

三、物料清单（BOM）

Designator	Description	Part Number	Qty	Manufacturer
U1	Synchronous Buck Regulator	LM20123	1	Texas Instruments
C IN	47 µF, 1210, X5R, 6.3 V	GRM32ER60J476ME20	1	Murata
C BYP	1 µF, 0603, X5R, 6.3 V	GRM188R60J105KA01	1	Murata
C OUT	47 µF, 1210, X5R, 6.3 V	GRM32ER60J476ME20	1	Murata
L	1.2 µH, 17 m Ω	DO1813H - 122ML	1	Coilcraft
R F	1 Ω, 0603	CRCW06031R0J - e3	1	Vishay - Dale
C F	100 nF, 0603, X7R, 16 V	GRM188R71C104KA01	1	Murata
CV CC	1 µF, 0603, X5R, 6.3 V	GRM188R60J105KA01	1	Murata
R PG	10 k Ω, 0603	CRCW06031002F - e3	1	Vishay - Dale
R C1	1.37 k Ω, 0603	CRCW06031371F - e3	1	Vishay - Dale
C C1	4.7 nF, 0603, X7R, 25 V	VJ0603Y472KXXA	1	Vishay - Vitramon
C C2	OPEN	OPEN	0	N/A
C SS	33 nF, 0603, X7R, 25 V	VJ0603Y333KXXA	1	Vishay - Vitramon
R FB1	4.99 k Ω, 0603	CRCW06034991F - e3	1	Vishay - Dale
R FB2	10 k Ω, 0603	CRCW06031002F - e3	1	Vishay - Dale
Test Points	Test Points	160 - 1026 - 02 - 01 - 00	7	Cambion

四、连接说明

Terminal Silkscreen	Description
V IN	该端子为器件的输入电压，器件可在2.95V至5.5V的输入电压范围内工作，此引脚的绝对最大电压额定值为6V。
GND	该端子为器件的接地连接，PCB上有两种不同的GND连接，一个用于输入电源，另一个用于负载。
V OUT	该端子连接到电源的输出电压，并应连接到负载。
EN	该端子连接到器件的使能引脚，此端子应连接到(V_{IN})或外部驱动。若外部驱动，典型情况下大于1.18V的电压将使能器件，此引脚的工作电压不应超过5.5V，绝对最大电压额定值为6V。
SS/TRACK	该端子可访问器件的SS/TRK引脚，大多数应用中不需要连接此端子。若用低于0.8V参考电压的外部电压源驱动，器件的反馈引脚将跟踪SS/TRK引脚上的电压。正常工作期间，此引脚上的电压不应超过5.5V，绝对最大电压额定值为6V。
PGOOD	该端子连接到器件的电源正常输出引脚，从该引脚到输入电压有一个10kΩ的上拉电阻。正常工作期间，此引脚上的电压不应超过5.5V，绝对最大电压额定值为6V。

五、组件选择

5.1 输入电容

对于降压稳压器，输入电容的所需RMS电流额定值可通过公式估算。陶瓷电容具有小尺寸、大RMS电流额定值的特点，因此评估板选用了村田的47µF X5R陶瓷电容作为输入电容。为了更好地旁路，还将一个1µF的高频电容与47µF的大容量电容并联，以过滤电源上的高频噪声脉冲。

5.2 AVIN滤波器

为防止PVIN上的开关噪声干扰连接到AVIN的内部模拟电路，应添加一个RC滤波器。评估板使用1Ω的电阻(R{F})，确保器件使能后不会触发欠压锁定（UVLO）比较器。与1Ω电阻配合使用的100nF电容(C{F})，在1.5MHz开关频率下可提供大于16dB的衰减。

5.3 电感

根据器件数据手册的建议，电感值应使峰 - 峰纹波电流约为最大输出电流的30%。对于评估板的应用条件（(V{IN}=5V)，(V{OUT}=1.2V)，(f{sw}=1.5MHz)，(I{OUT}=3A) ），计算得出标称电感值约为0.68µH，但最终选择了1.2µH的电感，以适应器件的全输出电压范围。Coilcraft的DO1813H - 122ML电感在效率（17mΩ DCR）、尺寸和饱和电流额定值（5.3A (I_{SAT}) 额定值）之间取得了良好的平衡。

5.4 输出电容

输出电容的值会影响输出电压的纹波以及负载瞬变时的大信号输出电压响应。评估板选用了村田的47µF陶瓷电容作为输出电容，在相对较小的封装中提供了良好的瞬态和直流性能。根据该电容的技术规格，其ESR约为3mΩ，有效电路电容约为32µF（由于1.2V直流偏置，从47µF降低）。在5V输入下工作时，计算得出输出电压的峰 - 峰纹波为3mV。

5.5 (C_{ss})

软启动电容可用于控制LM20123电压稳压器的启动时间。评估板的软启动时间设计为约5ms，根据公式计算得出(C_{ss})电容值为33nF。

5.6 (C_{vcc})

(C_{vcc})电容用于旁路内部2.7V的子稳压器，该电容的尺寸应等于或大于1µF，但小于10µF，对于大多数应用，1µF的值就足够了。

5.7 (C_{C1})

电容(C{C1})用于设置LM20123控制环路的交叉频率。由于评估板在全输入和输出电压范围内进行了稳定性优化，(C{C1})的值选择为4.7nF。在已知器件的工作条件后，可以通过减小(C{C1})的值并计算(R{C1})的值来优化瞬态响应。

5.8 (R_{C1})

电阻(R_{C1})用于在控制环路中设置一个零点，以抵消输出滤波器极点。其尺寸可根据公式计算得出，为了稳定性，应针对应用中预期的最大输出电流对器件进行补偿。

5.9 (C_{C2})

在某些设计中，第二个补偿电容(C{C2})可用于提供一个高频极点，以抵消输出电容ESR可能引入的零点。由于评估板输出端使用的低ESR陶瓷电容在交叉频率之前不会在控制环路中引入零点，因此(C{C2})焊盘未进行焊接。如果更换为具有显著ESR的不同电容，可以根据公式估算(C_{C2})的所需值。

5.10 (R{FB 1})和(R{FB2})

电阻(R{FB 1})和(R{FB2})构成一个从(V{OUT})到反馈引脚的分压器，用于设置电压调节器的输出。评估板的输出标称值设置为1.2V，此时(R{FB 1}=4.99kΩ)，(R{FB2}=10kΩ) 。如果需要不同的输出电压，可以根据公式调整(R{FB 1})的值，而(R_{FB2})的值无需从10kΩ更改。

六、PCB布局

评估板的顶层布局和底层布局也是设计的重要部分，合理的布局有助于减少电磁干扰，提高电路的稳定性和性能。工程师在设计时需要综合考虑组件的位置、走线的长度和宽度等因素。

LM20123评估板为工程师提供了一个完整的降压开关稳压器解决方案，通过对组件的精心选择和合理的PCB布局设计，能够在多种应用场景中实现高效、稳定的电压转换。在实际设计中，大家可以根据具体需求对组件参数进行调整，以达到最佳的性能表现。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。