深入解析LM20123評(píng)估板：設(shè)計(jì)與應(yīng)用指南

在電源管理的世界里，高效、穩(wěn)定的電壓轉(zhuǎn)換是眾多電子設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵。今天，我們就來深入探討一下德州儀器（TI）的LM20123評(píng)估板，看看它在降壓開關(guān)穩(wěn)壓器領(lǐng)域的表現(xiàn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、LM20123芯片概述

LM20123是一款功能齊全的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)3A的負(fù)載電流。其標(biāo)稱1.5MHz的開關(guān)頻率，在減小功率級(jí)組件尺寸的同時(shí)，還能保證高效運(yùn)行。它可以將2.95V至5.5V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為低至0.8V的輸出電壓。此外，該芯片還具備多種故障保護(hù)功能，如逐周期電流限制、輸出電源正常指示和輸出過壓保護(hù)等。雙功能軟啟動(dòng)/跟蹤引腳可控制啟動(dòng)響應(yīng)，精密使能引腳則便于在有排序要求的應(yīng)用中對(duì)其進(jìn)行排序。芯片采用HTSSOP - 16封裝，帶有外露焊盤，可增強(qiáng)散熱性能。

二、評(píng)估板設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 尺寸與布局

評(píng)估板在兩層PCB上的尺寸略小于1.3” x 1.1”，所有組件都放置在頂層，在整體解決方案尺寸和穩(wěn)壓器效率之間取得了平衡。

2.2 輸入輸出電壓

評(píng)估板的功率級(jí)和補(bǔ)償組件針對(duì)5V輸入電壓進(jìn)行了優(yōu)化，但測試時(shí)輸入電壓可在整個(gè)工作范圍內(nèi)變化。輸出電壓標(biāo)稱值為1.2V，通過更換反饋電阻（(R{FB 1})或(R{FB 2}) ）可以輕松更改該電壓。

2.3 控制環(huán)路補(bǔ)償

評(píng)估板的控制環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)，旨在在整個(gè)輸入和輸出電壓范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的解決方案，并具備合理的瞬態(tài)響應(yīng)。使能引腳（EN）電壓需高于1.18V（典型值）才能啟動(dòng)開關(guān)操作。若不需要使能功能，應(yīng)將EN引腳外部連接到(V_{IN}) 。

三、物料清單（BOM）

四、連接說明

五、組件選擇

5.1 輸入電容

對(duì)于降壓穩(wěn)壓器，輸入電容的所需RMS電流額定值可通過公式估算。陶瓷電容具有小尺寸、大RMS電流額定值的特點(diǎn)，因此評(píng)估板選用了村田的47μF X5R陶瓷電容作為輸入電容。為了更好地旁路，還將一個(gè)1μF的高頻電容與47μF的大容量電容并聯(lián)，以過濾電源上的高頻噪聲脈沖。

5.2 AVIN濾波器

為防止PVIN上的開關(guān)噪聲干擾連接到AVIN的內(nèi)部模擬電路，應(yīng)添加一個(gè)RC濾波器。評(píng)估板使用1Ω的電阻(R{F})，確保器件使能后不會(huì)觸發(fā)欠壓鎖定（UVLO）比較器。與1Ω電阻配合使用的100nF電容(C{F})，在1.5MHz開關(guān)頻率下可提供大于16dB的衰減。

5.3 電感

根據(jù)器件數(shù)據(jù)手冊(cè)的建議，電感值應(yīng)使峰 - 峰紋波電流約為最大輸出電流的30%。對(duì)于評(píng)估板的應(yīng)用條件（(V{IN}=5V)，(V{OUT}=1.2V)，(f{sw}=1.5MHz)，(I{OUT}=3A) ），計(jì)算得出標(biāo)稱電感值約為0.68μH，但最終選擇了1.2μH的電感，以適應(yīng)器件的全輸出電壓范圍。Coilcraft的DO1813H - 122ML電感在效率（17mΩ DCR）、尺寸和飽和電流額定值（5.3A (I_{SAT}) 額定值）之間取得了良好的平衡。

5.4 輸出電容

輸出電容的值會(huì)影響輸出電壓的紋波以及負(fù)載瞬變時(shí)的大信號(hào)輸出電壓響應(yīng)。評(píng)估板選用了村田的47μF陶瓷電容作為輸出電容，在相對(duì)較小的封裝中提供了良好的瞬態(tài)和直流性能。根據(jù)該電容的技術(shù)規(guī)格，其ESR約為3mΩ，有效電路電容約為32μF（由于1.2V直流偏置，從47μF降低）。在5V輸入下工作時(shí)，計(jì)算得出輸出電壓的峰 - 峰紋波為3mV。

5.5 (C_{ss})

軟啟動(dòng)電容可用于控制LM20123電壓穩(wěn)壓器的啟動(dòng)時(shí)間。評(píng)估板的軟啟動(dòng)時(shí)間設(shè)計(jì)為約5ms，根據(jù)公式計(jì)算得出(C_{ss})電容值為33nF。

5.6 (C_{vcc})

(C_{vcc})電容用于旁路內(nèi)部2.7V的子穩(wěn)壓器，該電容的尺寸應(yīng)等于或大于1μF，但小于10μF，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，1μF的值就足夠了。

5.7 (C_{C1})

電容(C{C1})用于設(shè)置LM20123控制環(huán)路的交叉頻率。由于評(píng)估板在全輸入和輸出電壓范圍內(nèi)進(jìn)行了穩(wěn)定性優(yōu)化，(C{C1})的值選擇為4.7nF。在已知器件的工作條件后，可以通過減小(C{C1})的值并計(jì)算(R{C1})的值來優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)。

5.8 (R_{C1})

電阻(R_{C1})用于在控制環(huán)路中設(shè)置一個(gè)零點(diǎn)，以抵消輸出濾波器極點(diǎn)。其尺寸可根據(jù)公式計(jì)算得出，為了穩(wěn)定性，應(yīng)針對(duì)應(yīng)用中預(yù)期的最大輸出電流對(duì)器件進(jìn)行補(bǔ)償。

5.9 (C_{C2})

在某些設(shè)計(jì)中，第二個(gè)補(bǔ)償電容(C{C2})可用于提供一個(gè)高頻極點(diǎn)，以抵消輸出電容ESR可能引入的零點(diǎn)。由于評(píng)估板輸出端使用的低ESR陶瓷電容在交叉頻率之前不會(huì)在控制環(huán)路中引入零點(diǎn)，因此(C{C2})焊盤未進(jìn)行焊接。如果更換為具有顯著ESR的不同電容，可以根據(jù)公式估算(C_{C2})的所需值。

5.10 (R{FB 1})和(R{FB2})

電阻(R{FB 1})和(R{FB2})構(gòu)成一個(gè)從(V{OUT})到反饋引腳的分壓器，用于設(shè)置電壓調(diào)節(jié)器的輸出。評(píng)估板的輸出標(biāo)稱值設(shè)置為1.2V，此時(shí)(R{FB 1}=4.99kΩ)，(R{FB2}=10kΩ) 。如果需要不同的輸出電壓，可以根據(jù)公式調(diào)整(R{FB 1})的值，而(R_{FB2})的值無需從10kΩ更改。

六、PCB布局

評(píng)估板的頂層布局和底層布局也是設(shè)計(jì)的重要部分，合理的布局有助于減少電磁干擾，提高電路的穩(wěn)定性和性能。工程師在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮組件的位置、走線的長度和寬度等因素。

LM20123評(píng)估板為工程師提供了一個(gè)完整的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案，通過對(duì)組件的精心選擇和合理的PCB布局設(shè)計(jì)，能夠在多種應(yīng)用場景中實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電壓轉(zhuǎn)換。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，大家可以根據(jù)具體需求對(duì)組件參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最佳的性能表現(xiàn)。你在使用類似評(píng)估板時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。