ADP1822評估板：設(shè)計(jì)、測試與應(yīng)用全解析

引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理是至關(guān)重要的一環(huán)。ADP1822評估板作為一款用于PWM、降壓型DC - DC控制器的評估工具，具有廣泛的應(yīng)用前景。本文將深入探討ADP1822評估板的設(shè)計(jì)、操作、測試以及關(guān)鍵組件的選擇，為電子工程師們提供全面的參考。

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ADP1822概述

ADP1822是一款多功能且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的同步降壓PWM控制器。其轉(zhuǎn)換器電源輸入電壓范圍為1V至24V，而控制器的工作電壓范圍為3.0V至5.5V。它的自由運(yùn)行頻率可通過邏輯選擇為300kHz或600kHz，也能與300kHz至1.2MHz之間的外部時(shí)鐘同步。內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)器控制全N溝道功率級，可調(diào)節(jié)低至0.6V的轉(zhuǎn)換器輸出電壓，最大負(fù)載電流可達(dá)20A。此外，它還具備輸出電壓跟蹤、動(dòng)態(tài)調(diào)整、軟啟動(dòng)、限流和短路保護(hù)以及電源良好邏輯輸出等功能，適用于電信、醫(yī)療成像、高性能服務(wù)器和工業(yè)應(yīng)用等眾多領(lǐng)域。

評估板規(guī)格

測試說明

測試步驟

1. 確保跳線2處于斷開狀態(tài)，給評估板上電，此時(shí)輸出電壓應(yīng)為1.8V。
2. 若跳線1短路，需更換電感器以適應(yīng)600kHz的操作。
3. 當(dāng)跳線3短路時(shí)，輸出高裕量為1.89V；當(dāng)跳線4斷開時(shí)，輸出低裕量為1.71V。
4. 連接外部發(fā)生器到TRKN點(diǎn)，驗(yàn)證輸出電壓跟蹤功能。
5. 使用PWGD點(diǎn)監(jiān)測操作行為。

跳線和連接器說明

組件選擇

輸入電容

在連續(xù)模式下，高端MOSFET的源電流是占空比為VOUT/VIN的方波。為防止大的電壓瞬變，應(yīng)使用低ESR的輸入電容，并根據(jù)最大均方根電流進(jìn)行選型。最大均方根電容電流為IL√D(1 - D)。

輸出電感

在高開關(guān)頻率應(yīng)用中，電感大小對性能有重要影響。電感過大，dI/dt過低，無法快速響應(yīng)負(fù)載變化；電感過小，輸出紋波會(huì)過高。因此，若需要良好的瞬態(tài)響應(yīng)，在電容允許的最大紋波電流和磁芯最大耗散（磁芯溫度）的約束下，選擇較小的電感和較大的電容更為合適。輸出電感可根據(jù)公式[L=frac{V{OUT }}{I{OUT } K{CR } f{SW}}(1-D)]選擇，其中KCR一般選擇在20% - 40%之間。

輸出電容

輸出電容的選擇由ESR和電容值決定。輸出電壓紋波可近似表示為[Delta V{OUT }=Delta I{L}left(ESR+frac{1}{8 f{S W} C{OUT }}right)]。一般來說，電容或ESR引起的電壓紋波取決于所選電容。由于MLCC電容具有低ESR的特點(diǎn)，因此推薦使用。在輸出負(fù)載瞬變時(shí)，所需的電容量由電感中存儲(chǔ)的最大能量決定。電容必須足夠大，以吸收從高電流到低電流過渡時(shí)電感電流的變化，并在從低電流到高電流過渡時(shí)為負(fù)載供電?？筛鶕?jù)公式[C{OUT, minl }=frac{Delta I{OUT }^{2} L}{2 V{OUT } Delta V{up }}]和[C{OUT, min 2}=frac{Delta I{OUT }^{2} L}{2left(V{IN }-V{OUT }right) Delta V{down }}]計(jì)算最小電容值，并選擇大于兩者的輸出電容。同時(shí)，要確保輸出電容的紋波電流額定值大于(I{COUT }=sqrt{frac{Delta I_{L}^{2}}{12}})。

MOSFET選擇

MOSFET的選擇直接影響DC - DC轉(zhuǎn)換器的性能。MOSFET應(yīng)具有低導(dǎo)通電阻（RDSON）以降低傳導(dǎo)損耗，以及低柵極電荷以降低開關(guān)損耗。對于低端（同步）MOSFET，主要損耗為傳導(dǎo)損耗，可通過公式[P{C, low }=(1-D)left(I{OUT }^{2}+frac{Delta I{L}^{2}}{12}right) R{DSON }]計(jì)算。柵極電荷損耗可近似表示為[P{G}=V{G} Q{G} f{S W}]。高端（開關(guān)）MOSFET需要處理傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗，開關(guān)損耗可近似為[P{T}=frac{V{I N} I{L}left(t{R}+t{F}right) f{S W}}{2}]，其中tR和tF可通過相關(guān)公式計(jì)算。高端MOSFET的傳導(dǎo)損耗可通過公式[P{C, high }=Dleft(I{OUT }^{2}+frac{Delta I{L}^{2}}{12}right) R{D S O N}]計(jì)算。

輸出電壓

FB引腳的調(diào)節(jié)閾值為0.6V，最大輸入偏置電流為100nA。為獲得最佳精度，底部電阻R2應(yīng)不高于50kΩ，但過低的R2值會(huì)消耗過多功率，建議選擇1kΩ至10kΩ的1%電阻。上部分壓電阻R1可通過公式[R 1=R 2 frac{V_{OUT }-0.6}{0.6}]設(shè)置。

電流限制設(shè)置電阻

CSL引腳的電壓可通過公式[V{CSL}=I{CSL}left(R{CSL}+R{DSONlow }right)-left(I{L}+frac{Delta I{L}}{2}right) R{DSONlow }]計(jì)算。電阻RCSL可通過公式[R{CSL }=frac{left(I{limit }+frac{Delta I{L}}{2}right) R_{DSONlow }}{I{CSL }}]計(jì)算。

軟啟動(dòng)設(shè)置

軟啟動(dòng)特性由連接在SS和GND之間的電容決定。ADP1822通過內(nèi)部電阻將Css充電至0.8V，當(dāng)VCSS = 0.6V時(shí)達(dá)到軟啟動(dòng)周期（tss），電容值可通過公式[C{SS}=frac{t{SS}}{-ln left(1-frac{0.6}{0.8}right) × 100 k Omega}]計(jì)算。

輸出電壓跟蹤

ADP1822具有內(nèi)部比較器，可在啟動(dòng)時(shí)使輸出電壓跟蹤外部電壓，防止輸出電壓超過跟蹤電壓。當(dāng)正跟蹤（TRKP）輸入電壓超過負(fù)跟蹤（TRKN）輸入電壓時(shí)，比較器會(huì)關(guān)閉高端開關(guān)。將TRKP連接到輸出電壓，用要跟蹤的電壓驅(qū)動(dòng)TRKN。若TRKN處的電壓低于調(diào)節(jié)電壓，輸出電壓將被限制在TRKN處的電壓；若TRKN處的電壓高于調(diào)節(jié)電壓，輸出電壓將調(diào)節(jié)到分壓器設(shè)定的期望電壓。

輸出電壓裕量

ADP1822具有輸出電壓裕量功能。MSEL是裕量選擇輸入，將MSEL驅(qū)動(dòng)為高電平可激活電壓裕量功能，驅(qū)動(dòng)為低電平可將輸出電壓調(diào)節(jié)到標(biāo)稱值。若不使用，將MSEL連接到GND。MAR是裕量控制輸入，與MSEL配合使用以控制輸出電壓裕量。當(dāng)MSEL驅(qū)動(dòng)為高電平時(shí)，MAR可選擇高電壓或低電壓裕量。若不使用，將MAR連接到GND。

控制環(huán)路設(shè)計(jì)與方程

功率級傳遞函數(shù)

ADP1822的功率級傳遞函數(shù)為[G{V D}(s)=frac{V{OUT }(s)}{D(s)}=frac{V{I N}}{1+frac{R{L}}{R}} × frac{1+R{C} × C × s}{1+frac{s}{Q omega{O}}+frac{s^{2}}{omega{O}^{2}}}]，其中(omega{0}=frac{sqrt{frac{R{L}+R}{R{C}+R}}}{sqrt{L C}})，(Q=frac{frac{R{L}}{R}+1}{frac{L}{R}+left(R{L}+R{C}right) × C+frac{R{C} R{L} C}{R}} cdot frac{1}{omega{O}})，RC為輸出電容的ESR，Rl為輸出電感的串聯(lián)電阻。

控制電路與傳遞函數(shù)

補(bǔ)償傳遞函數(shù)的方程為[G{E A}(s)=k frac{left(1+frac{s}{2 pi f{Z 1}}right)left(1+frac{s}{2 pi f{Z 2}}right)}{left(1+frac{s}{2 pi f{P 1}}right)left(1+frac{s}{2 pi f{P 2}}right)}]，其中(k=-frac{R 3}{R l})，(f{z 1}=frac{1}{2 pi R 3 Cl 7})，(f{Z 2}=frac{1}{2 pi(R 1+R 2) C 18})，(f{p 1}=frac{1}{2 pi R 3 frac{C 17 cdot C 19}{C l 7+C 19}})，(f_{P 2}=frac{1}{2 pi R 4 C 18})。開關(guān)頻率為300kHz，為獲得最佳性能，建議將交叉頻率設(shè)置為開關(guān)頻率的1/10，即約60kHz。較低的交叉頻率會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)響應(yīng)不佳，而較高的交叉頻率可能導(dǎo)致不穩(wěn)定。通常，最佳性能來自于允許足夠增益和相位裕度的最高可能交叉頻率，建議相位裕度在40°至60°之間。

整體環(huán)路增益

整體控制環(huán)路的傳遞函數(shù)為[T(s)=frac{G{V D}(s) × G{E A}(s)}{V_{R A M P}}]，其中VRAMP為ADP1822控制器的PWM峰值斜坡電壓（通常為1.25V）。選擇補(bǔ)償組件時(shí)，可遵循以下準(zhǔn)則：

1. 設(shè)置環(huán)路增益交叉頻率fC，將交叉頻率fC設(shè)置在fsw / 10可實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。
2. 用補(bǔ)償器極點(diǎn)fP1抵消ESR零點(diǎn)fZ。
3. 放置高頻極點(diǎn)fP2以實(shí)現(xiàn)開關(guān)紋波和高頻噪聲的最大衰減。
4. 在功率級諧振頻率f0附近放置兩個(gè)補(bǔ)償器零點(diǎn)，通常將fZ1放置在f0以下，將fZ2放置在f0和fC之間。
5. 檢查相位裕度以確保良好的調(diào)節(jié)性能。

測試結(jié)果與主要波形

通過實(shí)際測試，我們得到了輸出電壓紋波、效率與負(fù)載電流關(guān)系、輸出跟蹤、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)、輸出電壓裕量等波形，這些波形直觀地展示了ADP1822評估板的性能。例如，在不同負(fù)載下的輸出電壓紋波情況，以及效率隨負(fù)載電流的變化趨勢等，為工程師們評估和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。

PCB布局指南

接地平面

使用單獨(dú)的模擬和電源接地平面，將模擬電路連接到模擬地，將功率電路連接到電源地。

走線要求

從高端MOSFET和低端MOSFET到ADP1822的DH和DL引腳的走線應(yīng)相對短而寬，以降低電感。

元件布局

將Q1的源極和Q2的漏極放置得非?？拷?，以最小化電感，使用寬銅走線進(jìn)行連接，但要注意避免過多銅面積增加電容耦合共模噪聲。將陶瓷輸入去耦電容（C2、C3和C4）靠近Q1的漏極和Q2的源極放置，將C13和C14靠近IC的VIN引腳放置，補(bǔ)償組件應(yīng)盡可能靠近FB引腳放置，連接R7的走線應(yīng)直接連接到Q2的漏極以確保理想的開爾文連接。

評估板原理圖與布局

ADP1822評估板的原理圖展示了各個(gè)組件的連接關(guān)系，包括MOSFET、電感、電容、電阻等。布局圖則呈現(xiàn)了元件在PCB上的具體位置，為工程師們進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)和調(diào)試提供了清晰的參考。

訂購信息與物料清單

訂購信息

可根據(jù)需求向相關(guān)供應(yīng)商訂購ADP1822評估板。

物料清單

詳細(xì)列出了ADP1822典型應(yīng)用電路所需的元件，包括電容、電感、MOSFET、電阻、二極管等，以及它們的制造商、型號、設(shè)計(jì)標(biāo)識和數(shù)量，方便工程師們進(jìn)行采購和組裝。

注意事項(xiàng)

ADP1822評估板是靜電放電（ESD）敏感設(shè)備，在操作過程中應(yīng)采取適當(dāng)?shù)腅SD預(yù)防措施，以避免性能下降或功能喪失。同時(shí)，使用評估板需遵守相關(guān)的法律條款和條件，包括授權(quán)使用范圍、保密要求、限制使用行為等。

總之，ADP1822評估板為電子工程師們提供了一個(gè)全面的電源管理解決方案。通過深入了解其設(shè)計(jì)、操作、測試和組件選擇等方面的知識，工程師們可以更好地利用該評估板進(jìn)行電源設(shè)計(jì)和優(yōu)化，滿足不同應(yīng)用場景的需求。你在使用ADP1822評估板的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享。