LM20154评估板：高性能降压开关稳压器的设计与应用

一、引言

在电子设计领域，降压开关稳压器是一种常见且重要的电源管理组件。今天我们要深入探讨的是TI公司的LM20154评估板，它基于LM20154降压开关稳压器，具有诸多出色的特性，能够满足多种应用场景的需求。

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二、LM20154芯片特性

2.1 基本性能

LM20154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。

2.2 保护功能

具备多种故障保护特性，如逐周期电流限制、输出电源良好指示以及输出过压保护等，这些功能大大提高了系统的稳定性和可靠性。

2.3 控制特性

双功能软启动/跟踪引脚可用于控制LM20154的启动响应，而精密使能引脚则能方便地在有排序要求的应用中对其进行排序。此外，它还具有一个漏极开路的SYNCOUT引脚，可提供与内部振荡器相位相差180度的信号。

2.4 封装形式

采用16引脚HTSSOP封装，带有外露焊盘，有助于增强热性能。

三、评估板设计特点

3.1 尺寸与布局

评估板设计注重整体解决方案尺寸与稳压器效率的平衡。它采用两层PCB，尺寸略小于1.3” x 1.1”，所有组件都放置在顶层。

3.2 输入输出特性

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}) ）可以轻松改变输出电压。

3.3 控制环路补偿

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，并具有合理的瞬态响应。使能引脚（EN）在板上的电压需高于1.18V（典型值）才能启动开关。若不需要使能功能，应将EN引脚外部连接到 (V_{IN}) 。

四、物料清单（BOM）

评估板的物料清单涵盖了各种组件，以下是部分关键组件：	Designator	Description	Part Number	Qty	Manufacturer
U1	Synchronous Buck Regulator	LM20154	1	Texas Instruments
C IN	100 µF, 1210, X5R, 6.3 V	GRM32ER60J107ME20	1	Murata
L	1 µH, 6 m Ω	MSS1038-102NL	1	Coilcraft
R FB1	4.99 k Ω , 0603	CRCW06034991F-e3	1	Vishay-Dale
R FB2	10 k Ω , 0603	CRCW06031002F-e3	1	Vishay-Dale

五、连接描述

5.1 输入输出连接

• V IN：是设备的输入电压端，设备可在2.95V至5.5V的输入电压范围内工作，该引脚的绝对最大电压额定值为6V。
• GND：是设备的接地连接端，PCB上有两个不同的GND连接，一个用于输入电源，另一个用于负载。
• V OUT：连接到电源的输出电压，应连接到负载。

5.2 控制引脚连接

• EN：连接到设备的使能引脚，可连接到 (V_{IN}) 或外部驱动。外部驱动时，电压通常大于1.18V可使能设备，该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：可访问设备的SS/TRK引脚，大多数应用中不需要连接此引脚。若用外部电压源驱动且电压低于0.8V参考电压，设备的反馈引脚将跟踪该引脚的电压，正常工作时该引脚电压不应超过5.5V，绝对最大电压额定值为6V。
• PGOOD：连接到设备的电源良好输出端，该引脚到输入电压有一个10kΩ的上拉电阻，正常工作时引脚电压不应超过5.5V，绝对最大电压额定值为6V。
• SYNC：连接到设备的SYNCOUT引脚，该漏极开路输出到输入电压有一个4.99kΩ的上拉电阻，正常工作时引脚电压不应超过5.5V，绝对最大电压额定值为6V。

六、组件选择

6.1 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。在50%占空比、4A满载电流的情况下，最大 (I_{CIN(RMS)}) 需求出现。陶瓷电容具有小尺寸大RMS电流额定值的特点，评估板选用了Murata的100µF X5R陶瓷电容，其RMS电流额定值为5.4A，同时还并联了一个1µF的高频电容以过滤电源上的高频噪声脉冲。

6.2 AV IN滤波器

为防止 (PV IN) 上的开关噪声干扰连接到 (AV IN) 的内部模拟电路，添加了由 (R{F}) 和 (C{F}) 组成的RC滤波器。评估板使用1Ω的 (R{F}) 电阻，以确保启用器件后不会触发UVLO比较器。1Ω电阻与推荐的1µF (C{F}) 电容在1MHz开关频率下可提供约16dB的衰减。

6.3 电感

根据器件数据手册推荐，电感值应使峰峰值纹波电流约为最大输出电流的30%。通过公式计算，在 (V{IN}=5V) 、 (V{OUT }=1.2V) 、 (f{sw}=1MHz) 、 (I{OUT }=4A) 的情况下，标称电感值约为0.76µH，最终选择1µH的电感，此时在5V和3.3V输入时的峰峰值纹波电流分别为912mA和1.122A。评估板选用的Coilcraft MSS1038-102NL电感在效率（6mΩ DCR）、尺寸和饱和电流额定值（9A (I_{SAT}) ）之间取得了良好的平衡。

6.4 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。评估板选用Murata的100µF陶瓷电容作为输出电容，其ESR约为2mΩ，有效电路电容约为55µF（由于1.2V直流偏置从100µF降低）。在5V输入下，输出的峰峰值电压纹波可计算为3.9mV。

6.5 (C_{ss}) 软启动电容

软启动电容可用于控制LM20154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。

6.6 (C_{vcc}) 电容

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

6.7 (C_{C 1}) 电容

(C{C 1}) 电容用于设置LM20154控制环路的交叉频率。由于评估板针对全输入和输出电压范围进行了优化，(C{C 1}) 的值选择为3.3nF。在确定器件的工作条件后，可以通过减小 (C{C 1}) 的值并计算 (R{C 1}) 的值来优化瞬态响应。

6.8 (R_{C 1}) 电阻

(R_{C 1}) 电阻用于在控制环路中设置一个零点，以抵消输出滤波器极点。其大小可根据公式计算，为保证稳定性，应针对应用中预期的最大输出电流对器件进行补偿。

6.9 (C_{C 2}) 电容

在某些设计中，(C{C 2}) 电容可用于提供一个高频极点，用于抵消输出电容ESR可能引入的零点。评估板上 (C{C 2}) 焊盘未焊接元件，因为输出使用的低ESR陶瓷电容在交叉频率之前不会对控制环路贡献零点。若更换为具有显著ESR的电容，可通过公式估算 (C_{C 2}) 的值。

6.10 (R_{S}) 电阻

(R{S}) 电阻用于将SYNCOUT引脚的漏极开路输出拉至输入电压，其值选择为4.99kΩ，适用于大多数应用。但要注意SYNC端子上的电容负载可能会在SYNCOUT信号中产生额外的相位滞后，驱动电容负载时，可通过减小 (R{S}) 的值获得更陡峭的SYNC边沿。

6.11 (R{FB 1}) 和 (R{FB 2}) 电阻

(R{FB 1}) 和 (R{FB 2}) 电阻构成一个从 (V{OUT}) 到反馈引脚的分压器，用于设置电压稳压器的输出。评估板的标称输出电压为1.2V，此时 (R{FB 1}=4.99kΩ) ， (R{FB 2}=10kΩ) 。若需要不同的输出电压，可根据公式调整 (R{FB 1}) 的值，而 (R_{FB 2}) 保持10kΩ不变。

七、PCB布局

评估板的PCB布局包括顶层和底层，合理的布局有助于提高电路的性能和稳定性。但文档中未详细描述布局的具体要点，不过我们可以推测，在实际设计中，应遵循电源电路布局的一般原则，如减少布线长度、避免干扰等。

八、总结

LM20154评估板为工程师提供了一个方便的平台，用于评估和应用LM20154降压开关稳压器。通过对其芯片特性、评估板设计、组件选择和PCB布局等方面的了解，工程师可以更好地利用该评估板进行电源管理设计。在实际应用中，还需要根据具体需求对组件进行调整和优化，以满足不同的性能要求。大家在使用过程中有没有遇到过类似评估板的设计挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。