深入剖析LM27402降壓控制器評(píng)估模塊

在電子工程領(lǐng)域，DC/DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化是一項(xiàng)關(guān)鍵且具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。今天，我們將聚焦于德州儀器（Texas Instruments）的 LM27402 降壓控制器評(píng)估模塊，深入探討其特性、應(yīng)用及關(guān)鍵組件的選擇。

文件下載：LM27402SQEVAL/NOPB.pdf

一、LM27402簡(jiǎn)介

LM27402 是一款功能豐富的同步單相 PWM DC/DC 降壓控制器，具有諸多出色特性。它的輸入電壓范圍寬達(dá) 3V 至 20V，還具備輸入電壓前饋功能。雙高電流集成 N 溝道 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器使其非常適合用于負(fù)載點(diǎn)應(yīng)用中的高電流中間總線(xiàn)系統(tǒng)軌。其內(nèi)部 0.6V ±1%的電壓參考能確保輸出具有高精度和低電壓能力。此外，電感 DCR 電流檢測(cè)不僅能提供準(zhǔn)確的電流限制檢測(cè)方法，還能通過(guò)消除電阻式電流檢測(cè)元件來(lái)提高輸出電流和系統(tǒng)效率。

二、評(píng)估板特點(diǎn)

2.1 典型應(yīng)用電路

該評(píng)估板代表了一個(gè) 20A 的典型應(yīng)用電路，電路針對(duì) 12V 輸入電壓進(jìn)行了優(yōu)化。不過(guò)，得益于輸入電壓前饋技術(shù)，評(píng)估板在輸入電壓高達(dá) 20V 時(shí)，仍能在 20A 負(fù)載下保持 1.5V 的穩(wěn)定輸出電壓。

2.2 其他特性

• 電流限制電路：采用溫度補(bǔ)償電感 DCR 電流限制電路，可提供穩(wěn)定的電流限制設(shè)定點(diǎn)。
• 靈活擴(kuò)展：預(yù)留了額外的 MOSFET 和輸入/輸出電容焊盤(pán)，便于在需要時(shí)支持更高的電流。
• 軟啟動(dòng)功能：外部設(shè)定的 10ms 軟啟動(dòng)時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)可控的單調(diào)啟動(dòng)。
• 預(yù)偏置啟動(dòng)和跟蹤：支持預(yù)偏置啟動(dòng)，并提供跟蹤連接，用于電源排序。
• 頻率調(diào)整：可通過(guò)板載同步連接施加外部時(shí)鐘來(lái)更改開(kāi)關(guān)頻率。
• 監(jiān)測(cè)與分析：PGOOD 信號(hào)外部上拉至 VDD，可通過(guò)板載端子進(jìn)行監(jiān)測(cè)。還設(shè)有兩個(gè)額外的端子，用于連接網(wǎng)絡(luò)分析儀，進(jìn)行控制環(huán)路穩(wěn)定性分析。

三、評(píng)估板操作規(guī)格

評(píng)估板的輸入電壓范圍為 4.5V 至 20V，輸出電壓固定為 1.5V，輸出電流范圍是 0A 至 20A。在設(shè)計(jì)和使用時(shí)，我們需要嚴(yán)格遵循這些規(guī)格，以確保評(píng)估板的正常運(yùn)行。大家在實(shí)際操作中，有沒(méi)有遇到過(guò)因?yàn)殡妷夯螂娏鞒鲆?guī)格而導(dǎo)致的問(wèn)題呢？

四、連接說(shuō)明

4.1 電源連接

• VIN：輸入電壓端子，可使用 ? 英寸香蕉插頭或環(huán)形連接器。LM27402 可在 3.0V 至 20V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，但評(píng)估板針對(duì) 12V 輸入進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)際工作范圍為 4.5V 至 12V，該引腳的絕對(duì)最大電壓額定值為 22V。
• GND IN：輸入接地端子，同樣可使用 ? 英寸香蕉插頭或環(huán)形連接器，僅用于輸入電源接地。
• VOUT：輸出電壓端子，連接負(fù)載時(shí)應(yīng)使用低阻抗線(xiàn)路，以減少線(xiàn)路壓降。
• GND OUT：輸出接地端子，僅用于輸出負(fù)載接地。

4.2 其他連接

• VDD：內(nèi)部 4.5V 子穩(wěn)壓器的輸出。
• PGD：PGOOD 輸出，用于在故障條件下監(jiān)測(cè) PGOOD 信號(hào)，正常工作時(shí)不應(yīng)超過(guò) 5.5V，絕對(duì)最大電壓額定值為 6V。
• EN：連接到 LM27402 的 EN 引腳，通常大于 1.17V 的電壓可使 IC 啟用，具有 100mV 的滯回以提供抗噪能力。若未施加控制信號(hào)，LM27402 會(huì)通過(guò) 2μA 內(nèi)部電流源自動(dòng)啟用。
• SS/TK：連接到 LM27402 的 SS/TRACK 引腳，在大多數(shù)應(yīng)用中無(wú)需連接。若由外部電壓源驅(qū)動(dòng)且電壓低于 0.6V 內(nèi)部參考電壓，LM27402 的反饋引腳將跟蹤該電壓。
• SYNC：連接到 LM27402 的 SYNC 引腳，可施加外部時(shí)鐘信號(hào)來(lái)設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率。若沒(méi)有 SYNC 信號(hào)，開(kāi)關(guān)頻率將恢復(fù)到由 FADJ 電阻設(shè)置的頻率。
• RX 和 TX：用于連接網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量環(huán)路響應(yīng)，兩者之間存在一個(gè) 50Ω 終端電阻。

五、性能特性

5.1 效率與負(fù)載

從效率與負(fù)載的關(guān)系圖中可以看出，在不同的輸入電壓下，效率隨負(fù)載電流的變化情況。這對(duì)于我們?cè)u(píng)估評(píng)估板在不同負(fù)載條件下的性能非常有幫助。

5.2 電壓調(diào)節(jié)

• 線(xiàn)電壓調(diào)節(jié)：反映了輸入電壓變化時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定性。
• 負(fù)載調(diào)節(jié)：在輸入電壓為 12V 時(shí)，輸出電壓隨負(fù)載電流變化的情況。

  5.3 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

  展示了評(píng)估板在負(fù)載電流快速變化時(shí)的輸出電壓響應(yīng)，這對(duì)于一些對(duì)電壓穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用尤為重要。

六、評(píng)估板組件選擇

6.1 輸入濾波器

為防止開(kāi)關(guān)噪聲干擾連接到 VIN 的內(nèi)部模擬電路，添加了 RC 濾波器，由 (R{in}) 和 (C{in}) 組成。評(píng)估板中使用了 2.2Ω 電阻和 1.0μF 25V X5R 陶瓷電容器。

6.2 輸入電容器

輸入電容器的選擇基于所需的輸入電壓紋波和最大 RMS 電流額定值。通過(guò)公式計(jì)算可知，在 20A 滿(mǎn)載電流和 50%占空比下，最大 (I{CIN(RMS)}) 為 10A。評(píng)估板選用了五個(gè) 22μF X5R 25V 陶瓷電容器，在 12V VIN 和 20A (I{out}) 時(shí)，輸入電壓紋波為 66mV。若需要，還可在 (C{in6}) 和 (C{in7}) 焊盤(pán)添加額外的電容器。

6.3 電感器

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)建議，電感器值應(yīng)使峰峰值紋波電流為最大工作輸出電流的 20%至 40%。評(píng)估板選擇了 30%的電流紋波，計(jì)算得出最小電感為 0.73μH。實(shí)際選用了 Vishay IHLP5050 0.68μH 電感器，其峰峰值電流紋波為 6.4A，在效率、尺寸和飽和電流額定值方面達(dá)到了平衡。

6.4 輸出電容器

輸出電容器的值會(huì)影響穩(wěn)態(tài)電壓紋波和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。評(píng)估板選用了四個(gè) 100μF 6.3V X5R 陶瓷電容器，在 12V VIN 時(shí)，峰峰值電壓紋波為 12mV。

6.5 軟啟動(dòng)電容器

軟啟動(dòng)電容器可控制 LM27402 的啟動(dòng)時(shí)間。評(píng)估板設(shè)計(jì)的軟啟動(dòng)時(shí)間約為 10ms，對(duì)應(yīng)的 (C{ss}) 電容器值為 47nF。若不使用 (C{ss})，LM27402 默認(rèn)的啟動(dòng)斜坡時(shí)間為 1.28ms。

6.6 內(nèi)部 LDO 旁路電容器

(C_{dd}) 電容器用于旁路內(nèi)部 4.5V 子穩(wěn)壓器，其值應(yīng)在 1μF 至 10μF 之間，評(píng)估板使用了 1μF 的電容器。

6.7 頻率調(diào)整電阻

LM27402 的開(kāi)關(guān)頻率可通過(guò)外部電阻 (R{f}) 在 200kHz 至 1.2MHz 之間調(diào)整。評(píng)估板選擇了 300kHz 的開(kāi)關(guān)頻率，對(duì)應(yīng)的 (R{f}) 電阻值為 45.7kΩ。

6.8 電流限制電路

評(píng)估板的電流限制電路將電流限制設(shè)置為 24A。(R{s}) 和 (C{s}) 組成的 RC 濾波器時(shí)間常數(shù)應(yīng)與電感器的電感和 DCR 時(shí)間常數(shù)匹配。同時(shí)，通過(guò)電阻設(shè)置電流限制水平，并使用正溫度系數(shù)電阻 (R_{tc}) 補(bǔ)償銅電阻的影響。

6.9 啟用電阻

評(píng)估板配備了與 EN 引腳直接相連的啟用連接，(R{en1}) 和 (R{en2}) 提供了一個(gè)可選的分壓器網(wǎng)絡(luò)，用于在特定輸入電壓下啟用 LM27402。

6.10 跟蹤功能

評(píng)估板設(shè)有跟蹤連接（SS/TK），該端子也是軟啟動(dòng)引腳。若連接電壓源，輸出可控制至 1.5V，當(dāng) SS/TK 電壓超過(guò) 0.6V 時(shí)，跟蹤停止。

6.11 補(bǔ)償和反饋

為使 LM27402 正常調(diào)節(jié)，需要閉合并補(bǔ)償反饋環(huán)路。評(píng)估板采用了 III 型補(bǔ)償，添加了三個(gè)極點(diǎn)和兩個(gè)零點(diǎn)到開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)中，以確保穩(wěn)定性。

6.12 (R{fb1}) 和 (R{fb2})

這兩個(gè)電阻構(gòu)成了從 (V{out}) 到 FB 和 FB 到 GND 的分壓器，用于設(shè)置調(diào)節(jié)器的標(biāo)稱(chēng)輸出電壓。評(píng)估板默認(rèn)輸出電壓為 1.5V，若需要不同的輸出電壓，可根據(jù)公式調(diào)整 (R{fb2}) 的值。

七、物料清單

文檔中詳細(xì)列出了評(píng)估板的物料清單，包括各個(gè)組件的型號(hào)、參數(shù)、數(shù)量和制造商等信息，這為我們進(jìn)行組件采購(gòu)和替換提供了重要參考。

八、PCB 組件布局

合理的 PCB 組件布局對(duì)于評(píng)估板的性能至關(guān)重要。文檔中給出了評(píng)估板的 PCB 布局圖，包括頂層、中間層和底層的布局，我們可以從中學(xué)習(xí)到如何進(jìn)行組件的合理布局，以減少干擾和提高性能。

通過(guò)對(duì) LM27402 降壓控制器評(píng)估模塊的全面剖析，我們對(duì)其特性、應(yīng)用和組件選擇有了更深入的了解。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們可以根據(jù)具體需求對(duì)評(píng)估板進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷暮蛢?yōu)化。大家在使用類(lèi)似評(píng)估模塊時(shí)，有沒(méi)有什么獨(dú)特的經(jīng)驗(yàn)或技巧呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享。