探索ADP1621評估板：從設計到應用的深度解析

在電子工程師的日常工作中，一款性能優(yōu)良的評估板對于電路設計和測試至關重要。今天，我們就來深入探討一下ANALOG DEVICES的ADP1621評估板，看看它在實際應用中的表現(xiàn)以及設計要點。

文件下載：ADP1621-EVALZ.pdf

評估板概述

ADP1621評估板主要用于評估ADP1621這款固定頻率、脈沖寬度調制（PWM）、電流模式的升壓轉換器控制器。該評估板的輸入范圍為3.0 V至3.6 V，輸出電壓為5 V，最大負載電流可達2 A。其采用自舉配置設計，開關頻率通過一個36 kΩ的電阻設置為600 kHz。

關鍵組件選擇

占空比計算

占空比是開關電源設計中的重要參數(shù)，計算公式為(D=frac{V{OUT }+V{D}-V{I N}}{V{OUT }+V{D}})。在輸入電壓(V{IN}=3.3 V)，輸出電壓(V{OUT }=5 V)，假設二極管正向壓降(V{D})約為0.5 V時，計算得出占空比約為40%。

反饋電阻

反饋電阻用于設置輸出電壓，公式為(V{OUT }=1.215 V timesleft(1+frac{R1}{R2}right))。當(V{OUT }=5 V)且(R2 = 5.6 kΩ)時，計算可得(R1)為17.4 kΩ。

電感選擇

電感的選擇需要考慮平均電感電流和紋波電流。平均電感電流(I{L, A V E}=frac{I{L O A D}}{1 - D})，在負載電流(I{LOAD}=2 A)，占空比(D = 0.4)時，(I{L, A V E})計算為3.33 A。為了減小電感尺寸和輸出電容，開關頻率設置為600 kHz。通過公式(L=frac{V{I N} × D times(1 - D)}{0.3 × f{S W} × I_{L O A D, M A X}})計算得出電感值為2.2 μH，實際選擇了2.5 μH的電感，同時要確保所選電感能夠承受3.33 A的平均直流電流和至少4 A的峰值電流。

輸入電容

輸入電容選擇了47 μF、6.3 V的Murata GRM31CR60J476M陶瓷電容，因為陶瓷電容具有非常低的ESR（幾mΩ）。如果負載電流大于2 A，則需要更大的輸入電容來降低輸入紋波電流。

輸出電容

輸出電容的選擇需要考慮輸出電壓紋波。通過設置輸出電壓紋波為輸出電壓的1%（50 mV），使用ESR為2 mΩ和ESL為100 nH的參數(shù)，計算得出最小所需的(C_{OUT})為20 μF。評估板選擇了四個10 μF/16 V（尺寸1210）的陶瓷電容。

二極管

二極管在MOSFET關斷時將電感電流傳導至輸出電容和負載。平均二極管電流等于負載電流，在2 A負載下，計算得出二極管的均方根電流(I_{D I O D E, R M S})為2.6 A，選擇了Vishay SSA33L的SMA封裝二極管。

MOSFET

MOSFET的選擇基于閾值電壓(V{T})、導通電阻(R{DSON})、最大電壓和電流額定值以及柵極電荷等參數(shù)。在負載電流(I{LOAD}=2 A)，占空比(D = 0.4)時，計算得出MOSFET的均方根電流(I{RMS,MOSFET })為2.1 A。選擇了IRF7470這款40 V的n溝道功率MOSFET，它具有低(R_{DSON})和柵極電荷。

環(huán)路補償

環(huán)路補償對于穩(wěn)定調節(jié)器至關重要。右半平面（RHP）零頻率的計算公式為(f{Z, R H P}=(1 - D)^{2} × frac{R{L O A D}}{2 pi × L})，在(V{OUT }=5 V)，2 A負載下，計算得出(f{Z, RHP})為57.3 kHz。為了穩(wěn)定調節(jié)器，確保調節(jié)器的交叉頻率(f{C}) ≤ 1/5的RHP零頻率且 ≤ 1/15的開關頻率。最終計算得出(f{C})為40 kHz，環(huán)路補償組件(R{COMP}=33 kΩ)和(C{COMP}=490 pF)。

斜率補償

斜率補償電阻(R{S}=142 Ω)，通過公式(R{S}>frac{R{CS} timesleft(V{OUT }+V{D}-V{I N}right) timesleft(1 - t{OFF, MIN } × f{S W}right)}{2 × I{S C, P K} × f{S W} × L})計算得出。

電流限制

ADP1621的電流限制通過COMP電壓鉗位來限制峰值電感電流。峰值電感電流(I{L, PK})和最大負載電流(I{LOAD, MAX})都有相應的計算公式。對于該評估板，計算得出電流限制(I_{LOAD, MAX})約為4 A，但由于二極管SSA33L的額定電流限制，評估板的最大負載電流設計為2 A。

測試波形分析

評估板提供了多種測試波形，包括效率與負載電流的關系、不同負載下的輸出電壓紋波、電感電流和漏極電壓波形等。通過這些波形可以直觀地了解評估板在不同負載條件下的性能表現(xiàn)。

PCB布局指南

PCB布局對于開關調節(jié)器的性能至關重要。良好的布局可以提高效率、改善調節(jié)性能和穩(wěn)定性。在設計PCB時，需要遵循以下準則：

1. 保持低ESR輸入電容(C_{IN})靠近IN、PIN和PGND。
2. 盡可能縮短高電流路徑，減少寄生電感。
3. 盡量縮短高電流跡線的長度并增加寬度，以降低寄生電感和電磁干擾（EMI）。
4. 將反饋電阻盡可能靠近FB引腳，防止高頻開關噪聲注入。
5. 確保MOSFET的漏極靠近電感，源極直接連接到電源GND平面。
6. 最小化GATE引腳與MOSFET柵極之間的PCB跡線長度，可適當增加電阻來減少過沖和振鈴。

其他配置

評估板可以很容易地進行修改，以適應不同的輸入電壓和輸出電壓選項。例如，對于非自舉配置，可以將RA9設置為0 Ω并移除RB9；對于輸入電壓高于6 V的情況，可以使用NPN晶體管Q1和R7組成LDO來降低輸入電壓；對于輸出電壓高于28 V的情況，需要將CS引腳連接到電流 sense電阻R11。

總結

ADP1621評估板為工程師提供了一個方便的平臺來評估ADP1621控制器的性能。通過合理選擇組件、優(yōu)化PCB布局和進行適當?shù)难a償，可以實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的升壓轉換。在實際應用中，工程師可以根據(jù)具體需求對評估板進行調整和優(yōu)化，以滿足不同的設計要求。你在使用類似評估板的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和見解。