德州仪器LM2593HV评估板设计解析

在电子工程领域，电源模块的设计至关重要。今天就来深入探讨一下德州仪器（Texas Instruments）的LM2593HV评估板，剖析其设计要点与组件选择。

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评估板规格概述

这款评估板设计用于标称48V的直流输入，并且能够安全承受高达60V的电压。其稳压直流输出为12V，最大负载电流可达2A。它采用了7引脚表面贴装封装（TO263）的可调版本LM2593HV。通过精心的布局，该评估板无需在二极管两端使用缓冲器，并且使用的组件数量最少。此外，它具备关机功能和错误标志输出，还集成了软启动和延迟输出错误信号功能，整体效率高于85%。

评估板不使用外部散热器或通孔元件，适合全自动生产流程。它仅需1.7 x 2.0 x 0.7立方英寸的空间。印刷电路板（PCB）为标准的1.6毫米厚（62密耳）“1/2盎司”双面FR4层压板，并进行了额外的铜电镀，铜的总量略超过1盎司（“1盎司”为1.4密耳/35微米厚）。为了在回流焊过程中让焊料沉积在导线上以辅助散热，导线未进行掩膜处理。该转换器设计用于在自然对流条件下，最高环境温度为40°C时，以额定负载连续运行。

组件选择

电感

在设计中，我们设定输入电压 (V{IN}=48V)，输出电压 (V{O}=12V)，负载电流 (I{Q}=2A)。这里定义“D”为占空比，“r”为纹波电流比 (Delta l / l{circ}) 。根据LM2593HV Simple SWITCHER Power Converter 150 kHz 2A Step - Down Voltage Regulator, With Features Data Sheet（SNVS082）中的设计程序电感列线图以及AN - 1197 Selecting Inductors for Buck Converters（SNVA038）中的指南，选择“r”为0.3。“r”与电感通过公式 (r=frac{E t}{l cdot b c}) 相关，其中“Et”是施加的伏微秒，(I_{DC}) 是最大额定负载电流（单位：安培），L是电感（单位：微亨）。

首先计算占空比，其中 (V{D}) 是二极管正向电压降（约0.5V），(V{sw}) 是开关导通时的压降加上任何寄生效应（约1.5V）。然后计算开关导通时间 (t{ON}=frac{0}{f}=frac{(12 + 0.5) × 10^{5}}{(48 - 1.5 + 0.5) × 150000} mu s = 1.77 mu s) ，进而得到伏微秒 (Et=(V{IN}-V{SW}-V{0}) × t_{ON}=(48 - 1.5 - 12) × 1.77 V mu s = 61.1 V mu s) ，估算电感 (L = 101.8 mu H) 。

电感的初步选择通常基于上述计算的电感值和最大负载电流。考虑到输入电压超过40V，为确保转换器在输出过载或短路时不受损坏，我们从Coilcraft选择了一个100 µH/1.8A的鼓形磁芯电感，该电感在3A以上会饱和，并且设计用于在最高环境温度85°C时温度上升40°C。由于演示板的最高环境温度仅为40°C，且该电感在最大负载电流下不会饱和，因此在略高于其连续额定值的负载电流下使用是可行的。

输入电容

输入电容的额定电压必须高于直流输入电压。由于钽电容的最大额定电压为50V，且存在固有浪涌电流限制（在高输入电压时尤为重要），因此不适合用于此设计。我们从Panasonic选择了一个63V的铝电解表面贴装电容，其大小根据公式6计算得出，能够处理均方根电流。所选电容为100 µF，在100 kHz时的均方根电流额定值为1.02A。

输出电容

出于物流原因，输出电容选择了与输入电容类似的类型。最初，其大小仅根据公式7计算得出，以处理均方根电流，并且额定电压略高于输出电压。随后，通过反馈回路的波特图确认相位裕度在40°左右是可接受的，从而验证了最初的选择。所选电容为47 µF/16V，在100 kHz时的均方根电流额定值为0.24A，等效串联电阻（ESR）为0.36 Ω。

续流二极管

续流二极管的额定电压必须高于输入电压，这里选择了60V的肖特基二极管。续流二极管的平均电流为 (AVO D = 2 cdot(1 - 0.27)=1.47 A) 。通常，平均电流是选择二极管的起点，但60V肖特基二极管的正向电压降比低压肖特基二极管高，除非它们在电流额定值方面“过大”。为了保证良好的效率，我们选择了一个“热降”（二极管发热时的正向压降）不大于0.5V（在约2A的瞬时正向电流下）的二极管，即International Rectifier的3A/60V肖特基二极管。

原理图与布局

评估板的原理图如图1所示，原理图上还标明了关键的布局建议。评估板具备关机功能，板上标记为“SD”的引脚拉低时，转换器的输出将降至0V。“Flag”引脚输出也可用，当输出稳压良好时，该引脚拉高（通过R3上拉至12V电源轨）；当输出“不正常”时，该引脚由IC内部拉低，此时它吸收 (12 V / 21 K = 0.6 mA) 的电流。“Flag”引脚的最大电压不应超过45V，流入的电流不应高于3 mA，因此在这种情况下不能直接连接到输入电压轨。电阻R1和R2构成一个简单的分压器，当输出为12V时，在反馈引脚处提供1.23V的电压。

布局与物料清单

评估板的两面分别如图2和图3所示，物料清单如表1所示。

Designator	Description	Manufacturer	Part Number	Quantity
U1	LM2593	Texas Instruments	LM2593	1
D1	3A/60V Schottky	International Rectifier	MBRS360TR	1
L1	100 µH/1.8A	Coilcraft	DO5022 - 104	1
C1	100 µF/63 V	Panasonic	EEVFC1J101Q	1
C2, C3, C4	0.1 µF/100 V	Vishay - Vitramon	VJ1206Y104KXBA	3
C5	47 µF/16 V	Panasonic	EEVFK1C470P	1
R1	2.37K/1%	Vishay	CRCW12062371F	1
R2, R3	21K/1%	Vishay	CRCW12062102F	2

总结

德州仪器的LM2593HV评估板在电源设计方面展现了出色的性能和可靠性。通过合理的组件选择和精心的布局，它能够满足特定的电源需求，并且适合全自动生产流程。在实际设计中，我们需要根据具体的应用场景和要求，对组件进行适当的调整和优化。大家在实际应用中是否也遇到过类似的电源设计问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。