基于LM3103的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器演示板設(shè)計(jì)詳解

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理一直是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。今天我們來深入探討一下基于LM3103的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器演示板的設(shè)計(jì)，它能夠提供高效、低成本的電源解決方案。

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一、LM3103簡(jiǎn)介

LM3103是一款降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，具備實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比、高效降壓電源轉(zhuǎn)換器所需的所有功能，能夠?yàn)樨?fù)載提供0.75A的電流。它采用恒定導(dǎo)通時(shí)間（COT）調(diào)節(jié)方案，無需環(huán)路補(bǔ)償，具有快速的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和簡(jiǎn)單的電路實(shí)現(xiàn)方式，這使得元件數(shù)量減少，典型應(yīng)用所需的電路板空間也非常小。該穩(wěn)壓器即使在全陶瓷輸出電容網(wǎng)絡(luò)下也能正常工作，并且不依賴輸出電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性。由于輸入電壓和導(dǎo)通時(shí)間之間的反比關(guān)系，其工作頻率在電源電壓變化時(shí)保持恒定。此外，它還具備輸出過壓保護(hù)、熱關(guān)斷、(V_{CC})欠壓鎖定、柵極驅(qū)動(dòng)欠壓鎖定等保護(hù)功能，采用熱增強(qiáng)型HTSSOP - 16封裝。

二、演示板的原理圖和PCB

演示板的原理圖和PCB設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。原理圖展示了各個(gè)元件之間的連接關(guān)系，而PCB則是將原理圖轉(zhuǎn)化為實(shí)際電路板的關(guān)鍵。這里給出了LM3103演示板的原理圖、PCB頂層覆蓋圖、頂層視圖和底層視圖。這些設(shè)計(jì)確保了元件的合理布局和信號(hào)的有效傳輸。

三、演示板快速設(shè)置步驟

1. 連接電源：將電源連接到VIN端子，VIN范圍為8V至42V。
2. 連接負(fù)載：將負(fù)載連接到VOUT端子，IOUT范圍為0A至0.75A。
3. 正常運(yùn)行設(shè)置：SD（JP1）應(yīng)保持開路以實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行，短接此跳線可實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)。
4. 空載電壓檢查：設(shè)置VIN = 18V，在空載情況下，用電壓表檢查VOUT，標(biāo)稱值為3.3V。
5. 滿載電壓檢查：施加0.75A負(fù)載，再次檢查VOUT，標(biāo)稱值仍為3.3V。
6. 短路電流檢查：短接輸出端子，用電流表檢查短路電流，標(biāo)稱值為1.05A。
7. 關(guān)機(jī)功能檢查：短接SD（JP1）以檢查關(guān)機(jī)功能。

四、演示板性能特性

這些性能特性為我們?cè)u(píng)估演示板的性能提供了重要依據(jù)。

五、設(shè)計(jì)步驟

1. 計(jì)算反饋電阻

反饋電阻的比例可以通過以下公式計(jì)算： [R 4=frac{10 k Omega}{left(frac{V{OUT}}{0.6}-1right)}=2.22 k Omega] 通常，R3和R4應(yīng)從1.0 (k Omega)至10 (k Omega)范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)1%電阻值中選擇，以滿足上述比例。這里選擇(R 3 = 10 k Omega)，當(dāng)(V{OUT } = 3.3 ~V)時(shí)適用。

2. 計(jì)算導(dǎo)通時(shí)間設(shè)置電阻

[R 1=frac{V{OUT }}{8.3 × 10^{-11} × f{SW}}] 演示板的開關(guān)頻率(f{sw })受LM3103的導(dǎo)通時(shí)間(t{on})影響，而(t{on})由R1決定。如果確定了(f{sw })和(V{OUT })，則可以按以下方式計(jì)算R1： [R 1 geq frac{V{IN(MAX) } × 100 ns}{8.3 × 10^{-11}}] 對(duì)于此演示板設(shè)計(jì)，選擇(V{OUT } = 3.3 ~V)和(f{sw}=500 kHz)，計(jì)算得到(R 1 = 78.52) (kOmega)。為確保導(dǎo)通時(shí)間大于最小限制（100 ns），R1的值必須滿足上述方程。當(dāng)前最大(V_{IN })為42V，計(jì)算得到的R1滿足該方程。

3. 確定電感值

[L 1=frac{V{OUT } xleft(V{IN}-V{OUT }right)}{I{LR} × f{SW} × V{IN}}] 電感影響的主要參數(shù)是電感電流紋波(I{LR})的幅度。一旦選擇了(I{LR})，就可以確定L1的值。對(duì)于此演示板設(shè)計(jì)，選擇(I{LR}=0.3 ~A)，當(dāng)(V{IN}=18 ~V)，(V{OUT } = 3.3 ~V)，(f{sw}=500) kHz時(shí)，計(jì)算得到(L = 17.97 mu H)。

4. 確定其他元件的值

• C1：C1的作用是在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)提供大部分主MOSFET電流，并限制VIN引腳的電壓紋波。假設(shè)連接到VIN引腳的電壓源具有有限的輸出阻抗。在最大負(fù)載電流下，當(dāng)主MOSFET導(dǎo)通時(shí)，VIN引腳的電流從0突然增加到電感紋波電流的較低峰值，并上升到較高峰值，然后在關(guān)斷時(shí)降至0。導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)的平均電流為負(fù)載電流。在最壞情況下，C1必須能夠在最大導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)提供該平均負(fù)載電流。計(jì)算公式為： [C 1=frac{ I{out} x t{on }}{Delta V_{IN}}] 在本演示板中，使用了一個(gè)10 μF的電容器。
• C3：C3用于避免由于VIN引腳的長引線電感引起的瞬態(tài)和振鈴。本演示板使用了一個(gè)靠近LM3103的低ESR 0.1 μF陶瓷貼片電容器。
• C4：C4使用了一個(gè)33 nF的高品質(zhì)低ESR陶瓷電容器，因?yàn)樗趯?dǎo)通時(shí)為主要MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器提供浪涌電流。低ESR還有助于確保在每個(gè)關(guān)斷時(shí)間內(nèi)完全充電。
• C5：SS引腳的電容器決定了軟啟動(dòng)時(shí)間，即調(diào)節(jié)比較器的參考電壓和輸出電壓達(dá)到最終值的時(shí)間。軟啟動(dòng)時(shí)間受輸出電容器的影響，它會(huì)延長時(shí)間，以及C5的充電情況。最小軟啟動(dòng)時(shí)間由以下方程確定： [t_{ss}>180 mu s+frac{C 5 × 0.6 V}{70 mu A}] 在本演示板中，C5使用了一個(gè)33 nF的電容器，相應(yīng)的軟啟動(dòng)時(shí)間約為600 μs。
• C8：(V{CC})輸出端的電容器不僅提供噪聲濾波和穩(wěn)定性，還能防止主MOSFET開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)(V{CC})欠壓鎖定（UVLO）的誤觸發(fā)。為了穩(wěn)定性，C8應(yīng)不小于1 μF，并且應(yīng)為高品質(zhì)、低ESR的陶瓷電容器。
• C9：如果輸出電壓高于1.6V，在不連續(xù)導(dǎo)通模式下需要C9來減少輸出紋波。在本演示板中，使用了一個(gè)10 nF的電容器。
• C10：輸出電容器通常應(yīng)不小于10 μF。通常需要通過實(shí)驗(yàn)來確定輸出電容器的最小值，因?yàn)樨?fù)載的性質(zhì)可能需要更大的值。產(chǎn)生顯著瞬態(tài)的負(fù)載比固定負(fù)載需要更大的輸出電容器。在本演示板中，使用了一個(gè)47 μF的電容器來提供低輸出紋波。
• C12：C12是一個(gè)靠近LM3103的小值陶瓷電容器，用于進(jìn)一步抑制(V_{out})處的高頻噪聲。在本演示板中，使用了一個(gè)47 nF的電容器。

六、PC板布局

LM3103的調(diào)節(jié)、過壓和電流限制比較器響應(yīng)速度非常快，因此布局對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳性能至關(guān)重要。布局應(yīng)盡可能整潔緊湊，所有外部元件應(yīng)盡可能靠近LM3103的相關(guān)引腳。由C1、LM3103內(nèi)部的主MOSFET和同步MOSFET以及PGND引腳形成的環(huán)路應(yīng)盡可能小。PGND引腳到輸入電容器的連接應(yīng)盡可能短而直接。應(yīng)添加過孔將輸入電容器的接地連接到接地平面，并盡可能靠近電容器。自舉電容器C4應(yīng)盡可能靠近SW和BST引腳連接，連接走線應(yīng)較粗。反饋電阻和電容器R3、R4和C9應(yīng)靠近FB引腳。從(V_{OUT })到R3的長走線通常是可以接受的，因?yàn)檫@是一個(gè)低阻抗節(jié)點(diǎn)。將R4直接接地到AGND引腳（引腳7）。輸出電容器C10應(yīng)靠近負(fù)載連接，并直接連接到接地平面。電感器L1應(yīng)盡可能靠近SW引腳連接，走線應(yīng)盡可能短，以減少電磁干擾（EMI）的產(chǎn)生。如果預(yù)計(jì)LM3103在正常運(yùn)行期間內(nèi)部散熱會(huì)導(dǎo)致過高的結(jié)溫，充分利用PC板的接地平面可以大大幫助散熱?？梢詫M3103 IC封裝底部的暴露焊盤焊接到接地平面，該接地平面應(yīng)從LM3103下方延伸出來以幫助散熱。暴露焊盤內(nèi)部連接到LM3103 IC基板。此外，在可能的情況下使用粗走線可以幫助將熱量從LM3103傳導(dǎo)出去。使用大量過孔將芯片附著焊盤連接到接地平面是一種很好的做法。合理定位PC板在最終產(chǎn)品中的位置，以及利用任何可用的氣流（強(qiáng)制或自然對(duì)流）可以幫助降低結(jié)溫。

七、物料清單

八、典型性能和波形

所有曲線和波形均在(V{IN}=18 ~V)、環(huán)境溫度(T{A}=25^{circ} C)的條件下，使用演示板測(cè)量得到（除非另有說明）。這些性能和波形展示了演示板在不同工作條件下的表現(xiàn)，對(duì)于評(píng)估其實(shí)際應(yīng)用效果具有重要意義。

通過以上詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟和分析，我們可以看到基于LM3103的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器演示板是一個(gè)功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)合理的電源解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們還需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和優(yōu)化。大家在設(shè)計(jì)過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。