深入解析LM20146评估板：设计、应用与性能

在电子设计领域，电源管理芯片的性能与应用一直是工程师们关注的焦点。今天，我们就来深入探讨TI的LM20146评估板，看看它在电源设计中能为我们带来哪些便利和优势。

文件下载：LM20146MHEVAL.pdf

一、LM20146芯片概述

LM20146是一款功能全面的同步降压开关稳压器，能驱动高达6A的负载电流。它的工作频率可在250kHz至750kHz之间调整，这为设计者在选择组件时提供了很大的灵活性。该芯片能将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、输出电源良好指示和输出过压保护等故障保护功能。其双功能软启动/跟踪引脚可控制启动响应，精确使能引脚便于在关键应用中进行顺序控制。芯片采用16引脚HTSSOP封装，并带有外露焊盘以增强热性能。

这里大家可以思考一下，这种频率可调的特性在实际应用中能为我们解决哪些问题呢？

二、评估板设计特点

LM20146评估板旨在平衡整体解决方案尺寸和瞬态响应。它采用四层PCB，尺寸为1.5” × 1.5”，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，但为了测试目的，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。控制环路补偿设计旨在在整个输入电压范围内提供稳定的解决方案，并具有快速的瞬态响应。EN引脚通过10kΩ电阻连接到 (V_{IN}) ，可通过使能测试点直接切换。

在设计评估板时，平衡尺寸和性能是一个关键挑战，大家在自己的设计中是如何应对这个问题的呢？

三、连接描述

评估板上各个引脚都有其特定的功能和连接要求，以下是主要引脚的详细说明：	PCB丝印	描述
VIN	设备的输入电压，工作范围为2.95V至5.5V，绝对最大电压额定值为6V。
GND	设备的接地连接，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。
VOUT	连接到电源的输出电压，应连接到负载。
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，通常大于1.18V的电压将使能设备，工作电压不应超过5.5V，绝对最大电压额定值为6V。
SS/TRK	提供对设备SS/TRK引脚的访问，大多数应用中不需要连接。如果用低于0.8V参考电压的外部电压源驱动，设备的反馈引脚将跟踪该引脚上的电压。正常运行时，该引脚上的电压不应超过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，该引脚通过10kΩ上拉电阻连接到输入电压。正常运行时，该引脚上的电压不应超过5.5V，绝对最大电压额定值为6V。
SW	允许连接示波器探头以观察开关节点电压。
VOUT TP	提供示波器探头直接连接到VOUT，以探测瞬态响应和输出电压纹波。

大家在实际连接时，一定要注意这些引脚的电压范围和连接要求，避免因连接不当导致设备损坏。

四、组件选择

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。在全6A负载电流且系统以50%占空比运行时， (I{LIN(RMS)}) 需求最大。陶瓷电容具有小尺寸和大 (I{RMS}) 额定值的特点，评估板选用了TDK的100µF X5R陶瓷电容作为输入电容。

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RC滤波器（ (R{F}) 和 (C{F}) ）。由于AVIN引脚在启动期间会有60mA的短时电流脉冲， (R{F}) 不能太大，否则可能触发UVLO比较器。评估板使用1.0Ω电阻作为 (R{F}) ，并建议使用1.0µF电容与1.0Ω电阻配合，以过滤AVIN的输入。

电感

根据数据手册建议，电感值应选择为使峰峰值纹波电流约为最大输出电流的30%。通过公式计算，对于 (V{IN}=5V) 、 (V{OUT}=1.2V) 、 (f{sw}=750kHz) 和 (I{OUT}=6A) 的情况，标称电感值约为0.68µH。评估板选用了TDK的SPM6530T - R68M140电感，它在效率、尺寸和饱和电流额定值之间取得了良好的平衡。如果输出电压增加或开关频率降低，可能会使设备在6A输出时达到电流限制，此时应增加电感值以降低纹波电流。

输出电容

输出电容的值会影响输出电压的纹波和负载瞬态时的大信号输出电压响应。通过公式可以近似计算输出电压纹波。评估板选用了TDK的100µF陶瓷电容作为输出电容，其ESR约为3mΩ，有效电路电容约为60µF。在5V输入下运行时，输出的峰峰值电压纹波约为10mV。

(C_{ss})

软启动电容可用于控制LM20146的启动时间，启动时间可通过公式估算。对于评估板，软启动时间设计为约5ms，因此 (C_{ss}) 电容值为33nF。

(C_{vcc})

(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，大多数应用中1µF的值就足够了。

(C_{ct})

电容 (C{C 1}) 用于设置LM20146控制环路的交叉频率。由于该板在全输入和输出电压范围内进行了优化， (C{C 1}) 的值选择为1.2nF。在确定设备的工作条件后，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。

(R_{ct})

选择 (C{C 1}) 的值后，电阻 (R{C 1}) 用于在控制环路中放置一个零点，以抵消输出滤波器极点。其大小可根据公式计算。为了稳定性，应针对应用中预期的最大输出电流对设备进行补偿。

(C_{C 2})

在某些设计中，第二个补偿电容 (C{C 2}) 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。评估板上 (C{C 2}) 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。如果更换为具有显著ESR的电容，可以通过公式估算 (C_{C 2}) 的所需值。

(R{FB 1}) 和 (R{FB 2})

电阻 (R{FB 1}) 和 (R{FB 2}) 构成一个分压器，用于设置电压调节器的输出。评估板的标称输出电压为1.2V，此时 (R{FB 1}=4.99kΩ) ， (R{FB 2}=10.0kΩ) 。如果需要不同的输出电压，可以根据公式调整 (R{FB 1}) 的值， (R{FB 2}) 的值保持10.0kΩ不变。

在选择这些组件时，大家是否有自己独特的经验和方法呢？

五、物料清单

评估板的物料清单详细列出了各个组件的型号、数量和制造商，如下表所示：	位号	描述	零件编号	数量	制造商
U1	同步降压稳压器	LM20146	1	Texas Instruments
C IN	100µF, 1210, X5R, 6.3V	C3225X5R0J107M	1	TDK
C O1	100µF, 1210, X5R, 6.3V	C3225X5R0J107M	1	TDK
C O2	未安装	N/A	0	N/A
L	0.68µH, 5.39 mΩ, 14A Isat	SPM6530T - R68M140	1	TDK
R F	1.0Ω, 0603	CRCW06031R0J - e3	1	Vishay - Dale
C F	1.0µF, 0603, X5R, 6.3V	GRM188R60J105KA01	1	Murata
C VCC	1.0µF, 0603, X5R, 6.3V	GRM188R60J105KA01	1	Murata
R PG	10.0kΩ, 0603	CRCW06031002F - e3	1	Vishay - Dale
R C1	8.25 kΩ, 0603	CRCW06038252F - e3	1	Vishay - Dale
C C1	1.2nF, 0603, COG, 50V	GRM1885C1H122JA01	1	Murata
C C2	未安装	N/A	0	N/A
C SS	33.0nF, 0603, X7R, 25V	VJ0603Y333KXXA	1	Vishay - Vitramon
R FB1	4.99kΩ, 0603	CRCW06034991F - e3	1	Vishay - Dale
R FB2	10.0kΩ, 0603	CRCW06031002F - e3	1	Vishay - Dale
R EN	10.0kΩ, 0603	CRCW06031002F - e3	1	Vishay - Dale
R T	48.7kΩ, 0603	CRCW06034872F - e3	1	Vishay - Dale
VOUT TP	测试点	131503100	1	Tektronix
EN, PGOOD, SW, SS/RK	测试点	52F7279	4	Keystone
P1,P2,P3,P4	电源输入输出	160 - 1026 - 02 - 01 - 00	4	Cambion

六、性能特性与PCB布局

评估板的性能特性与PCB布局密切相关。从提供的各层PCB布局图（顶层、中间层1、中间层2和底层）可以看出，合理的布局有助于提高评估板的性能和稳定性。在实际设计中，大家可以参考这些布局，结合自己的需求进行优化。

七、重要注意事项

TI公司对其半导体产品保留进行修正、改进和变更的权利，并可能根据相关标准停止某些产品或服务。购买者在下单前应获取最新相关信息，并验证其准确性和完整性。TI对其组件的性能提供保修，但测试并非对每个组件的所有参数都进行。TI不承担应用协助或买家产品设计的责任，买家应对自己的产品和应用负责。此外，TI对组件在不同应用场景（如医疗、军事、汽车等）有特定的授权和要求，使用时需注意遵守相关规定。

通过对LM20146评估板的详细解析，我们可以看到它在电源设计方面的诸多优势和特点。希望这篇文章能为电子工程师们在设计类似电源系统时提供一些参考和帮助。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。