德州仪器LM20124评估板：高效降压开关稳压器的设计与应用

在电子设计领域，电源管理是至关重要的一环。德州仪器（TI）的LM20124降压开关稳压器以其出色的性能和丰富的功能，成为众多工程师的首选。今天，我们就来深入探讨一下基于LM20124的评估板设计，以及各个组件的选择要点。

文件下载：LM20124EVAL.pdf

一、LM20124概述

LM20124是一款功能齐全的降压开关稳压器，能够驱动高达4A的负载电流。其标称1MHz的开关频率在减小功率级组件尺寸的同时，还能实现高效运行。该稳压器可将2.95V至5.5V的输入电压转换为低至0.8V的输出电压，具备逐周期电流限制、输出电源正常指示和输出过压保护等故障保护功能。此外，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LM20124进行排序。它采用16引脚HTSSOP封装，带有外露焊盘以增强热性能。

二、评估板设计特点

LM20124评估板旨在平衡整体解决方案尺寸和稳压器效率。它采用两层PCB，尺寸略小于1.3” × 1.1”，所有组件都放置在顶层。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。评估板的标称输出电压为1.2V，通过更换反馈电阻（ (R{FB 1}) 或 (R{FB 2}) ）可轻松改变输出电压。控制环路补偿设计确保在整个输入和输出电压范围内提供稳定的解决方案，并具有合理的瞬态响应。板上的EN引脚必须高于1.18V（典型值）才能启动开关，如果不需要EN功能，应将EN引脚外部连接到 (V_{IN}) 。

三、组件选择

1. 输入电容

对于降压稳压器，输入电容的所需RMS电流额定值可通过特定方程估算。陶瓷电容具有小尺寸大 (I{RMS}) 额定值的特点，非常适合该应用。评估板选用了村田的100 µF X5R陶瓷电容，其 (I{RMS}) 额定值为5.4A，为评估板提供了必要的输入电容。为了改善旁路效果，还并联了一个1 µF的高频电容来过滤电源上的高频噪声脉冲。

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，需添加RC滤波器（ (R{F}) 和 (C{F}) ）。 (R{F}) 的尺寸有实际限制，因为AVIN引脚在启动期间会有60mA的短时电流脉冲，如果 (R{F}) 太大，产生的电压降可能会触发UVLO比较器。评估板使用1Ω电阻作为 (R{F}) ，确保启用器件后不会触发UVLO。推荐的1uF (C{F}) 电容与1Ω电阻配合，在1MHz开关频率下可提供约16dB的衰减。

3. 电感器

根据数据手册建议，电感器值应使峰峰值纹波电流约为最大输出电流的30%。通过特定方程计算，对于 (V{IN}=5V) 、 (V{OUT }=1.2V) 、 (f{s w}=1 MHz) 和 (I{OUT }=4A) 的应用，标称电感值约为0.76uH，最终选择1uH的电感器，这会在转换器分别从5V和3.3V供电时产生912mA和1.122A的峰峰值纹波电流。对于LM20124评估板，Coilcraft MSS1038 - 102NL电感器在效率（6mΩ DCR）、尺寸和饱和电流额定值（9A (I_{SAT}) 额定值）之间取得了良好的平衡。

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态时的大信号输出电压响应。通过特定方程可近似计算输出电压纹波，纹波电压可分为两部分，一部分归因于交流纹波电流通过输出电容的ESR，另一部分是交流纹波电流对输出电容的充放电。评估板选用村田的100 µF陶瓷电容作为输出电容，其ESR约为2mΩ，有效电路电容约为55 µF（由于1.2V直流偏置从100 µF降低）。在5V输入下运行时，输出的峰峰值电压纹波可计算为3.9mV。

5. (C_{SS})

软启动电容可用于控制LM20124电压稳压器的启动时间。通过特定方程估算，对于LM20124， (I{SS}) 标称值为5µA，评估板的软启动时间设计为约5ms，因此 (C{SS}) 电容值为33nF。

6. (C_{VCC})

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

7. (C_{C1})

电容 (C{C1}) 用于设置LM20124控制环路的交叉频率。由于该板针对全输入和输出电压范围进行了优化， (C{C1}) 的值选择为3.3nF。了解器件的工作条件后，可通过减小 (C{C1}) 的值并计算 (R{C1}) 的值来优化瞬态响应。

8. (R_{C1})

确定 (C{C1}) 的值后，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。该电阻可根据特定方程进行尺寸设计，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。

9. (C_{C2})

在某些设计中，第二个补偿电容 (C{C2}) 可用于提供高频极点，用于抵消输出电容ESR可能引入的零点。对于LM20124评估板， (C{C2}) 焊盘未填充，因为输出使用的低ESR陶瓷电容在交叉频率之前不会为控制环路贡献零点。如果评估板上的陶瓷电容被具有显著ESR的不同电容替换，则可通过特定方程估算 (C_{C2}) 的所需值。

10. (R{FB 1}) 和 (R{FB 2})

电阻 (R{FB 1}) 和 (R{FB 2}) 构成从 (V{OUT}) 到反馈引脚的分压器，用于设置电压稳压器的输出。评估板的标称输出设置为1.2V，此时 (R{FB 1}=4.99kΩ) ， (R{FB 2}=10kΩ) 。如果需要不同的输出电压，可根据特定方程调整 (R{FB 1}) 的值，而 (R_{FB 2}) 无需改变。

四、评估板原理图与物料清单

评估板的原理图展示了各个组件的连接方式，物料清单详细列出了每个组件的设计代号、描述、型号、制造商和数量。这为工程师进行实际设计和组装提供了清晰的指导。

五、连接说明

评估板的各个端子都有明确的功能和连接要求，如 (V{IN}) 为输入电压端子， (GND) 为接地端子， (V{OUT}) 为输出电压端子， (EN) 为使能引脚端子等。了解这些连接说明对于正确使用评估板至关重要。

六、性能特性

评估板的性能特性包括效率与负载的关系、负载瞬态响应和负载调节等。通过相关图表可以直观地看到不同输入电压下的效率变化以及负载变化时的输出电压响应。

七、PCB布局

评估板的PCB布局分为顶层和底层，合理的布局有助于提高电路的性能和稳定性。

在实际设计中，工程师需要根据具体的应用需求和性能要求，对各个组件进行合理选择和优化。你在使用LM20124评估板的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。