LMZ14202EXT：滿足嚴(yán)苛環(huán)境與應(yīng)用需求的電源模塊

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源模塊的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。今天，我們就來深入了解一款專為嚴(yán)苛環(huán)境和堅(jiān)固應(yīng)用設(shè)計(jì)的電源模塊——LMZ14202EXT。

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一、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

1. 寬溫度范圍與集成設(shè)計(jì)

LMZ14202EXT的結(jié)溫范圍為 -55°C 至 125°C，能適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境。其集成了屏蔽電感，不僅減少了外部元件的使用，還降低了電磁干擾，同時(shí)使得 PCB 布局更加簡單。

2. 靈活的啟動(dòng)與保護(hù)機(jī)制

通過外部軟啟動(dòng)和精密使能功能，實(shí)現(xiàn)了靈活的啟動(dòng)順序控制。同時(shí)，具備多種保護(hù)功能，如防浪涌電流、輸入欠壓鎖定（UVLO）和輸出短路保護(hù)等，有效提高了系統(tǒng)的可靠性。

3. 高性能表現(xiàn)

具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)能力，非常適合為 FPGA 和 ASIC 等對電源要求較高的設(shè)備供電。低輸出電壓紋波特性，確保了電源輸出的穩(wěn)定性。此外，該模塊與多個(gè)系列的設(shè)備引腳兼容，方便進(jìn)行設(shè)計(jì)替換和升級。

4. 電氣性能優(yōu)越

最大總輸出功率可達(dá) 12W，輸出電流最高為 2A，輸入電壓范圍在 6V 至 42V 之間，輸出電壓范圍為 0.8V 至 6V，效率最高可達(dá) 90%。

5. 良好的電磁兼容性與可靠性

低輻射發(fā)射和高輻射抗擾度，使其在復(fù)雜的電磁環(huán)境中也能穩(wěn)定工作。并且通過了振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn) MIL - STD - 883 Method 2007.2 Condition A 和 JESD22 – B103B Condition 1，以及跌落標(biāo)準(zhǔn) MIL - STD - 883 Method 2002.3 Condition B 和 JESD22 – B110 Condition B，展現(xiàn)出了出色的可靠性。

二、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

1. 負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換

可用于 12V 和 24V 輸入軌的負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換，為各種電子設(shè)備提供穩(wěn)定的電源。

2. 時(shí)間關(guān)鍵項(xiàng)目

由于其快速的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定的性能，適用于對時(shí)間要求較高的項(xiàng)目。

3. 空間受限與高熱需求應(yīng)用

其緊湊的設(shè)計(jì)和良好的散熱性能，使其在空間有限且對熱要求較高的應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

4. 負(fù)輸出電壓應(yīng)用

可滿足特定的負(fù)輸出電壓應(yīng)用需求，具體可參考 AN - 2027 SNVA425。

三、產(chǎn)品詳細(xì)描述

1. 基本功能

LMZ14202EXT 是一款易于使用的降壓 DC - DC 解決方案，能夠以出色的功率轉(zhuǎn)換效率、線路和負(fù)載調(diào)節(jié)能力以及輸出精度驅(qū)動(dòng)高達(dá) 2A 的負(fù)載。它采用創(chuàng)新的封裝，不僅增強(qiáng)了熱性能，還支持手工或機(jī)器焊接。

2. 輸入輸出特性

能接受 6V 至 42V 的輸入電壓軌，并可提供低至 0.8V 的可調(diào)且高精度輸出電壓。只需三個(gè)外部電阻和四個(gè)外部電容即可完成電源解決方案。

3. 保護(hù)特性

具備熱關(guān)斷、輸入欠壓鎖定、輸出過壓保護(hù)、短路保護(hù)、輸出電流限制等功能，還允許在預(yù)偏置輸出的情況下啟動(dòng)。通過單個(gè)電阻可將開關(guān)頻率調(diào)節(jié)至最高 1MHz。

四、引腳配置與功能

五、規(guī)格參數(shù)

1. 絕對最大額定值

• VIN、RON 到 GND： - 0.3V 至 43.5V
• EN、FB、SS 到 GND： - 0.3V 至 7V
• 結(jié)溫：150°C
• 峰值回流焊殼溫（30 秒）：245°C
• 儲(chǔ)存溫度： - 65°C 至 150°C

2. ESD 評級

人體模型（HBM），±2000V

3. 推薦工作條件

• VIN：6V 至 42V
• EN：0V 至 6.5V
• 工作結(jié)溫： - 55°C 至 125°C

4. 熱信息

• 結(jié)到環(huán)境熱阻（4 層 JEDEC 印刷電路板，100 個(gè)過孔，無氣流）：19.3°C/W
• 結(jié)到環(huán)境熱阻（2 層 JEDEC 印刷電路板，無氣流）：21.5°C/W
• 結(jié)到外殼（頂部）熱阻（無氣流）：1.9°C/W

5. 電氣特性

包含使能控制、軟啟動(dòng)、電流限制、調(diào)節(jié)和過壓比較器、熱特性、性能參數(shù)等方面的詳細(xì)參數(shù)。例如，使能閾值上升點(diǎn)標(biāo)稱值為 1.18V，軟啟動(dòng)源電流典型值為 8μA，電流限制閾值典型值為 2.6A 等。

6. 開關(guān)特性

• 導(dǎo)通定時(shí)器最小脈沖寬度：150ns
• 關(guān)斷定時(shí)器脈沖寬度：260ns

7. 典型特性

提供了不同輸入電壓（6V、12V、24V、36V、42V）和不同溫度（25°C、85°C）下的效率和功耗曲線，以及線路和負(fù)載調(diào)節(jié)曲線、輸出紋波和瞬態(tài)響應(yīng)波形等，方便工程師在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行參考。

六、詳細(xì)工作原理

1. COT 控制電路概述

采用恒定導(dǎo)通時(shí)間（COT）控制，基于比較器和導(dǎo)通時(shí)間單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，將輸出電壓反饋與內(nèi)部 0.8V 參考進(jìn)行比較。當(dāng)反饋電壓低于參考時(shí)，主 MOSFET 導(dǎo)通一個(gè)由編程電阻 RON 確定的固定導(dǎo)通時(shí)間，RON 連接到 VIN，隨著輸入電源電壓的增加，導(dǎo)通時(shí)間會(huì)減少。導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束后，主 MOSFET 至少保持關(guān)斷 260ns。如果反饋引腳電壓再次低于參考電平，則重復(fù)導(dǎo)通時(shí)間周期，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。

2. 功能模塊描述

• 輸出過壓比較器：將 FB 引腳的電壓與 0.92V 內(nèi)部參考進(jìn)行比較，若 FB 電壓超過 0.92V，導(dǎo)通時(shí)間立即終止，實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)（OVP）。當(dāng) OVP 激活時(shí)，頂部 MOSFET 的導(dǎo)通時(shí)間將被禁止，直到條件消除，同時(shí)同步 MOSFET 將保持導(dǎo)通，直到電感電流降至零。
• 電流限制：在關(guān)斷時(shí)間通過監(jiān)測同步 MOSFET 中的電流來進(jìn)行電流限制檢測。當(dāng)頂部 MOSFET 關(guān)斷時(shí)，電感電流通過負(fù)載、PGND 引腳和內(nèi)部同步 MOSFET。如果該電流超過 2.6A（典型值），電流限制比較器將禁用下一個(gè)導(dǎo)通時(shí)間周期的啟動(dòng)。只有當(dāng) FB 輸入小于 0.8V 且電感電流降至 2.6A 以下時(shí)，下一個(gè)開關(guān)周期才會(huì)發(fā)生。
• 熱保護(hù)：通過內(nèi)部熱關(guān)斷電路實(shí)現(xiàn)熱保護(hù)，當(dāng)結(jié)溫達(dá)到 165°C（典型值）時(shí)，設(shè)備進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài)，主 MOSFET 保持關(guān)斷，VO 下降，同時(shí) CSS 電容放電到地。當(dāng)結(jié)溫降至 145°C（典型值，遲滯 20°C）以下時(shí)，SS 引腳釋放，VO 平滑上升，恢復(fù)正常運(yùn)行。
• 零線圈電流檢測：通過零線圈電流檢測電路監(jiān)測下部（同步）MOSFET 的電流，當(dāng)電流達(dá)到零時(shí)，禁止同步 MOSFET 導(dǎo)通，直到下一個(gè)導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM），提高輕載效率。
• 預(yù)偏置啟動(dòng)：LMZ14202EXT 能夠在預(yù)偏置輸出的情況下正常啟動(dòng)，適用于多軌邏輯應(yīng)用中不同電源軌之間存在電流路徑的啟動(dòng)情況。

3. 設(shè)備功能模式

• 不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）和連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）選擇：輕載時(shí)，調(diào)節(jié)器工作在 DCM 模式，負(fù)載電流超過臨界導(dǎo)通點(diǎn)時(shí)，工作在 CCM 模式。在 DCM 模式下，開關(guān)周期從電感電流為零開始，上升到峰值，然后在關(guān)斷時(shí)間結(jié)束前回落到零，在此期間負(fù)載電流由輸出電容提供。DCM 模式下開關(guān)頻率較低，且隨負(fù)載電流變化較大，由于負(fù)載較小和開關(guān)頻率較低，傳導(dǎo)和開關(guān)損耗降低，從而保持轉(zhuǎn)換效率。

七、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

1. 應(yīng)用信息

LMZ14202EXT 是一款降壓 DC - DC 電源模塊，通常用于將較高的直流電壓轉(zhuǎn)換為較低的直流電壓，最大輸出電流為 2A?？梢酝ㄟ^手動(dòng)設(shè)計(jì)或使用 WEBENCH 軟件來選擇組件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2. 典型應(yīng)用

給出了評估板的原理圖和物料清單，包括各個(gè)元件的型號、參數(shù)和制造商等信息。同時(shí)，詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)步驟，如選擇最小工作 VIN 和使能分壓器電阻、通過分壓器電阻選擇編程 VO、選擇軟啟動(dòng)電容、選擇 CO 和 CIN、設(shè)置工作頻率、確定模塊功耗以及進(jìn)行 PCB 布局等。

3. 設(shè)計(jì)步驟詳解

• 使能分壓器選擇：使能輸入提供精確的 1.18V 帶隙上升閾值，可直接進(jìn)行邏輯驅(qū)動(dòng)或連接到來自較高使能電壓（如 VIN）的分壓器。使能輸入還具有 90mV（典型值）的遲滯，下降閾值為 1.09V。最大推薦輸入到 EN 引腳的電壓為 6.5V。通過選擇合適的分壓器電阻，可以實(shí)現(xiàn)可編程欠壓鎖定功能，常用于電池供電系統(tǒng)中防止電池深度放電，或在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中用于輸出軌的排序。
• 輸出電壓選擇：輸出電壓由連接在 VO 和地之間的兩個(gè)電阻分壓器確定，分壓器中點(diǎn)連接到 FB 輸入。FB 引腳電壓與 0.8V 內(nèi)部參考進(jìn)行比較，當(dāng) FB 引腳電壓低于 0.8V 時(shí)，啟動(dòng)導(dǎo)通時(shí)間周期，使輸出電壓上升。通過選擇合適的反饋電阻，可以設(shè)置所需的輸出電壓。同時(shí)，在 RFBT 上并聯(lián)一個(gè)前饋電容可以改善負(fù)載階躍瞬態(tài)響應(yīng)。
• 軟啟動(dòng)電容選擇：可編程軟啟動(dòng)允許調(diào)節(jié)器在使能后緩慢上升到穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，減少輸入電源的浪涌電流，減緩輸出電壓上升時(shí)間，防止過沖。內(nèi)部 8μA 電流源對外部軟啟動(dòng)電容充電，達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的軟啟動(dòng)時(shí)間由公式 (t{SS}=V{REF} × C{SS} / I{SS}) 計(jì)算。使用 0.022μF 電容可實(shí)現(xiàn) 2.2ms 的軟啟動(dòng)時(shí)間，這是推薦的最小值。在使能輸入拉低、熱關(guān)斷、過流故障和內(nèi)部 VCC UVLO 等情況下，軟啟動(dòng)電容將通過內(nèi)部 200μA 電流沉放電到地。
• CO 選擇：模塊內(nèi)部不包含所需的 CO 輸出電容，輸出電容至少要滿足最壞情況下最小紋波電流額定值 (0.5 × I{LRP - P}) ，增加電容可以降低輸出紋波，但 ESR 要足夠低。一般需要至少 10μF 的電容，建議使用陶瓷電容或其他低 ESR 類型的電容。可以通過公式 (C{O} geq I{STEP } × V{FB} × L × V{IN} / (4 × V{O} × (V{IN} - V{O}) × V_{OUT - TRAN})) 進(jìn)行初步估算。
• CIN 選擇：LMZ14202EXT 模塊內(nèi)部包含一個(gè) 0.47μF 的輸入陶瓷電容，外部需要額外的輸入電容來處理應(yīng)用的輸入紋波電流。輸入電容應(yīng)靠近模塊放置，選擇輸入電容主要考慮滿足輸入紋波電流要求。最壞情況下的輸入紋波電流額定值由公式 (I(C{IN(RMS)}) cong 1 / 2 × I{O} × sqrt(D / 1 - D)) 計(jì)算，其中 (D cong V{O} / V{IN}) 。推薦的最小輸入電容為 10μF 的 X7R 陶瓷電容，電壓額定值至少比應(yīng)用的最大輸入電壓高 25%。如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要維持一定的最小輸入紋波電壓 (Delta V{IN}) ，可以使用公式 (C{IN} geq I{O} × D × (1 - D) / f{SW - CCM} × Delta V_{IN}) 進(jìn)行計(jì)算。此外，可能需要額外的大容量電容來抑制輸入電容和輸入電源線寄生電感的諧振效應(yīng)。
• RON 電阻選擇：可以根據(jù)所需的開關(guān)頻率使用公式 (f{SW(CCM)} cong V{O} / (1.3 × 10^{-10} × R{ON})) 來選擇 RON 電阻。RON 電阻的選擇要受到 COT 控制部分導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間的限制，導(dǎo)通時(shí)間 (t{ON} = (1.3 × 10^{-10} × R{ON}) / V{IN}) ，最大 VIN 時(shí)的導(dǎo)通時(shí)間應(yīng)大于 150ns。同時(shí)，最小關(guān)斷時(shí)間 260ns 限制了最大占空比，在需要大占空比的應(yīng)用中，需要選擇較大的 RON（較低的 FSW）。在 DCM 模式下，開關(guān)頻率可以通過公式 (f{SW(DCM)} cong V{O} × (V{IN} - 1) × 10μH × 1.18 × 10^{20} × I{O} / (V{IN} - V{O}) × R_{ON}^{2}) 計(jì)算。

4. 應(yīng)用曲線

提供了效率曲線、熱降額曲線和輻射發(fā)射曲線等，幫助工程師了解模塊在不同條件下的性能表現(xiàn)。

八、電源供應(yīng)建議

LMZ14202EXT 設(shè)計(jì)用于在 6V 至 42V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，輸入電源必須穩(wěn)壓，能夠承受最大輸入電流并保持穩(wěn)定的電壓。輸入電源軌的電阻要足夠低，以防止輸入電流瞬變導(dǎo)致 LMZ14202EXT 電源電壓下降過大，從而觸發(fā)錯(cuò)誤的 UVLO 故障和系統(tǒng)復(fù)位。如果輸入電源距離 LMZ14202EXT 較遠(yuǎn)，可能需要額外的大容量電容。

九、PCB 布局

1. 布局準(zhǔn)則

• 最小化開關(guān)電流回路面積：從減少 EMI 的角度出發(fā)，要盡量減少 PCB 布局中高 di/dt 路徑。將輸入電容 (C_{IN 1}) 盡可能靠近 LMZ14202EXT 的 VIN 和 GND 外露焊盤放置，以最小化高 di/dt 區(qū)域，降低輻射 EMI。輸入和輸出電容的接地應(yīng)采用局部頂層平面連接到 GND 外露焊盤（EP）。
• 單點(diǎn)接地：反饋、軟啟動(dòng)和使能組件的接地連接必須路由到設(shè)備的 GND 引腳，以防止開關(guān)或負(fù)載電流在模擬接地跡線中流動(dòng)，避免影響負(fù)載調(diào)節(jié)或?qū)е螺敵鲭妷杭y波不穩(wěn)定。從引腳 4 到 EP 提供單點(diǎn)接地連接。
• 最小化到 FB 引腳的跡線長度：反饋電阻 (R{FBT}) 和 (R{FBB}) 以及前饋電容 (C{FF}) 應(yīng)靠近 FB 引腳放置。由于 FB 節(jié)點(diǎn)是高阻抗的，要盡量減小銅面積。 (R{FBT}) 、 (R{FBB}) 和 (C{FF}) 的跡線應(yīng)遠(yuǎn)離 LMZ14202EXT 主體，以減少噪聲。
• 加寬輸入和輸出總線連接：加寬輸入和輸出總線連接可以減少轉(zhuǎn)換器輸入或輸出的電壓降，提高效率。為了優(yōu)化負(fù)載處的電壓精度，應(yīng)確保為負(fù)載提供單獨(dú)的反饋電壓檢測跡線。
• 提供足夠的散熱：使用散熱過孔陣列將外露焊盤連接到 PCB 底層的接地