20A降壓型DC - DC控制器評(píng)估板EVAL - ADP1828HC設(shè)計(jì)解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，DC - DC控制器評(píng)估板的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，它能幫助工程師快速驗(yàn)證和應(yīng)用相關(guān)技術(shù)。今天我們就來(lái)深入探討一下20A降壓型DC - DC控制器評(píng)估板EVAL - ADP1828HC。

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評(píng)估板概述

EVAL - ADP1828HC評(píng)估板主要用于評(píng)估ADP1828控制器。其輸入電壓范圍為6V至18V，輸出電壓固定為1.8V，最大負(fù)載電流可達(dá)20A。為了在效率和功率元件尺寸之間取得良好平衡，設(shè)計(jì)中選擇了300kHz的開關(guān)頻率。

ADP1828器件特性

ADP1828是一款同步PWM電壓模式降壓控制器，它驅(qū)動(dòng)全N溝道功率級(jí)，能將輸出電壓調(diào)節(jié)至低至0.6V，最高可達(dá)輸入電壓的85%，適合處理大尺寸MOSFET，適用于各種高功率應(yīng)用，如DSP和處理器核心I/O電源，以及電信、醫(yī)療成像、PC、游戲和工業(yè)應(yīng)用中的通用電源。

它的輸入電壓范圍為3V至18V，內(nèi)部LDO在輸入電壓為5.5V至18V時(shí)可產(chǎn)生5V輸出。開關(guān)頻率可通過引腳選擇固定為300kHz或600kHz，也可使用電阻設(shè)置在300kHz至600kHz之間的任意頻率，還能與外部時(shí)鐘同步，最高可達(dá)開關(guān)頻率的2倍。其時(shí)鐘輸出可用于同步ADP1828或其他器件，如ADP1829，無(wú)需外部時(shí)鐘源。此外，它還具備軟啟動(dòng)保護(hù)、預(yù)充電輸出的軟啟動(dòng)反向電流保護(hù)、電壓跟蹤、電源良好指示以及利用外部MOSFET感應(yīng)的可調(diào)無(wú)損電流限制方案，采用20引腳QSOP封裝。

關(guān)鍵元件設(shè)計(jì)

電感選擇

本設(shè)計(jì)選用了Würth Elektronik Group的744355182型號(hào)電感，電感值為0.82μH，飽和電流額定值為27A。這是一款采用鐵氧體磁芯的緊湊型扁平線電感，具有低直流電阻（RDC）和低磁芯損耗的優(yōu)點(diǎn)。

輸入電容選擇

對(duì)于輸入電壓高達(dá)18V、負(fù)載高達(dá)20A的情況，可使用35V多層陶瓷電容器（MLCC），但成本較高且需要多個(gè)。也可選擇價(jià)格便宜的鋁電解電容器，但它們體積大、笨重，且在低溫下等效串聯(lián)電阻（ESR）較大。本設(shè)計(jì)最終選用了Sanyo的OS - CON?聚合物電容器，這種電容器尺寸相對(duì)較小、ESR低且具有高電流紋波額定值。當(dāng)輸入電壓為18V、電感為0.82μH時(shí)，電感電流紋波約為6.6A，輸入電容器的電流額定值必須大于6.6A。因此，將兩個(gè)20SP180M（180μF/20V，每個(gè)紋波額定值為4.28A）的OS - CON電容器并聯(lián)，可提供8.56A的有效紋波額定值，滿足設(shè)計(jì)要求。

輸出電容選擇

輸出電壓紋波可通過公式(Delta V{OUT }=Delta I{L} sqrt{ESR^{2}+left(frac{1}{8 f{SW} C{OUT }}right)^{2}+left(4 f_{SW} ESLright)^{2}})近似計(jì)算。對(duì)于20A的階躍負(fù)載，抑制電流紋波需要較大的大容量電容（約1000μF），使用十個(gè)100μF的MLCC成本較高。本設(shè)計(jì)選用了POSCAP?聚合物電容器，因其占地面積小、高度低且ESR低。

為實(shí)現(xiàn)快速負(fù)載階躍響應(yīng)和合理的過沖電壓，需要計(jì)算輸出的最小電容，計(jì)算公式為(C{OUT, min1 }=frac{Delta I{LOAD }^{2} L}{2 V{OUT } Delta V{up }})和(C{OUT, min2 }=frac{Delta I{LOAD }^{2} L}{2left(V{IN}-V{OUT }right) Delta V_{down }})。最終選擇兩個(gè)1000μF的POSCAP電容器（2R5TPD1000M5，100μF/2.5V，5mΩ，6A電流紋波額定值）和一個(gè)47μF的MLCC作為輸出電容，兩個(gè)POSCAP電容器并聯(lián)可提供12A的有效電流紋波額定值，POSCAP電容器抑制大電流紋波，47μF的MLCC抑制高頻紋波。

MOSFET選擇

一般來(lái)說，高端MOSFET應(yīng)選擇上升和下降時(shí)間快、輸入電容低的型號(hào)，對(duì)于低占空比電路，快速的上升和下降時(shí)間尤為重要，因?yàn)殚_關(guān)損耗較高。低端MOSFET應(yīng)選擇導(dǎo)通電阻（(R_{DSON})）低的型號(hào)，開關(guān)速度不是關(guān)鍵因素，因?yàn)榈投薓OSFET沒有開關(guān)損耗，僅在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，低端MOSFET的體二極管會(huì)有少量功率損耗。

本設(shè)計(jì)的占空比范圍為10%至30%（輸入電壓為6V至18V），因此選擇具有快速開關(guān)和低輸入電容的高端MOSFET以及低(R{DSON})的低端MOSFET至關(guān)重要。Infineon Technologies的BSC080N03LS（PG - TDSON - 8或Super - SO8封裝）具有快速的上升和下降時(shí)間（3ns）、低輸入電容（1.2nF）和低(R{DSON})（在(V{GS}=4.5V)時(shí)為12mΩ），非常適合作為20A應(yīng)用中的高端MOSFET。低端MOSFET選用兩個(gè)Infineon Technologies的BSC030N03LS并聯(lián)，在(V{GS}=4.5V)時(shí)，(R_{DSON})為4.7mΩ。雖然DPAK封裝的功率MOSFET熱阻低，但寄生電感比PowerPAK高，可能會(huì)導(dǎo)致SW節(jié)點(diǎn)過度振鈴，降低重載時(shí)的效率。

其他設(shè)計(jì)要點(diǎn)

軟啟動(dòng)

軟啟動(dòng)周期由公式(C{SS}=8.015 × t{SS})確定，本設(shè)計(jì)選擇(C_{SS})為150nF，可實(shí)現(xiàn)19ms的軟啟動(dòng)周期。

電流限制

外部電流限制電阻可通過公式(R{CL}=frac{left(I{LIMIT}+frac{Delta I{L}}{2}right) R{DSON}-38 mV}{42 mu A})計(jì)算，其中(Delta I{L})可通過(Delta I{L}=frac{V{OUT }(1 - D)}{f{SW} × L})近似計(jì)算。在本設(shè)計(jì)中，MOSFET BSC030N03LS在(V{GS}=4.5V)時(shí)(R{DSON})為4.7mΩ，兩個(gè)并聯(lián)后的有效(R{DSON})為2.35mΩ，當(dāng)輸入電壓為18V時(shí)，(Delta I{L})計(jì)算為6.6A。若(I{LIMIT})設(shè)置為25A，則(R{CL})計(jì)算為1.33kΩ。需要注意的是，MOSFET的(R_{DSON})在不同器件之間可能會(huì)有超過25%的差異，在溫度范圍內(nèi)變化可能超過50%，因此實(shí)際電流限制在不同器件和溫度范圍內(nèi)可能會(huì)有超過50%的變化。

開關(guān)噪聲和過沖抑制

在SW和PGND之間添加RC緩沖器可以降低SW節(jié)點(diǎn)和外部MOSFET漏極的噪聲和振鈴。本設(shè)計(jì)中添加的RC緩沖器，(R{SNUB})為3.01Ω，(C{SNUB})為1.2nF。此外，添加?xùn)艠O電阻可以降低MOSFET漏極的過沖電壓。

補(bǔ)償設(shè)計(jì)

由于每個(gè)輸出POSCAP電容器的ESR較低（5mΩ），本設(shè)計(jì)采用了III型補(bǔ)償。評(píng)估板的補(bǔ)償值已優(yōu)化為：(R{FF}=7.5 k Omega)，(C{FF}=680 pF)，(R{z}=20 k Omega)，(C{1}=5.6 nF)，(C{HF}=33 pF)，(R{TOP }=20 k Omega)，(R_{BOT}=10 k Omega)。

測(cè)試結(jié)果

評(píng)估板進(jìn)行了多項(xiàng)測(cè)試，包括輸出紋波、效率與負(fù)載電流關(guān)系、軟啟動(dòng)到預(yù)充電負(fù)載、負(fù)載瞬態(tài)、線路瞬態(tài)、電感電流波形、負(fù)載調(diào)節(jié)和線路調(diào)節(jié)等測(cè)試。這些測(cè)試結(jié)果為評(píng)估板的性能提供了有力的數(shù)據(jù)支持。

操作說明

使用評(píng)估板時(shí)，需要按照以下步驟進(jìn)行操作：

1. 將跳線JP3置于導(dǎo)通位置以啟用ADP1828。
2. 不要連接跳線J7（VIN至VREG）。
3. 將跳線JP2（FREQ）連接到300kHz位置。
4. 若不使用SYNC功能，將跳線J11（SYNC）連接到GND；若使用SYNC功能，將SYNC連接到外部時(shí)鐘或另一個(gè)ADP1828的CLKOUT。
5. 將跳線JP1（CLKSET）連接到高電平，設(shè)置CLKOUT為內(nèi)部振蕩器頻率的2倍且與振蕩器同相；或連接到低電平，設(shè)置CLKOUT為振蕩器頻率的1倍且與振蕩器反相180°。
6. 將輸入電源的正極連接到輸入端子J8。
7. 將負(fù)載連接到輸出端子J13。

總結(jié)

EVAL - ADP1828HC評(píng)估板為工程師提供了一個(gè)全面的平臺(tái)，用于評(píng)估ADP1828控制器在20A降壓應(yīng)用中的性能。通過合理選擇元件和優(yōu)化設(shè)計(jì)，該評(píng)估板能夠?qū)崿F(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源轉(zhuǎn)換。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師可以根據(jù)具體需求對(duì)元件進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)景。你在設(shè)計(jì)類似評(píng)估板時(shí)，是否也會(huì)遇到元件選擇和參數(shù)計(jì)算的難題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。