LMZ14202EXT：滿足嚴苛環境與應用需求的電源模塊

在電子設計領域，電源模塊的性能直接影響著整個系統的穩定性和可靠性。今天，我們就來深入了解一款專為嚴苛環境和堅固應用設計的電源模塊——LMZ14202EXT。

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一、產品特性亮點

1. 寬溫度范圍與集成設計

LMZ14202EXT的結溫范圍為 -55°C 至 125°C，能適應各種惡劣的工作環境。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，同時使得 PCB 布局更加簡單。

2. 靈活的啟動與保護機制

通過外部軟啟動和精密使能功能，實現了靈活的啟動順序控制。同時，具備多種保護功能，如防浪涌電流、輸入欠壓鎖定（UVLO）和輸出短路保護等，有效提高了系統的可靠性。

3. 高性能表現

具有快速的瞬態響應能力，非常適合為 FPGA 和 ASIC 等對電源要求較高的設備供電。低輸出電壓紋波特性，確保了電源輸出的穩定性。此外，該模塊與多個系列的設備引腳兼容，方便進行設計替換和升級。

4. 電氣性能優越

最大總輸出功率可達 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 90%。

5. 良好的電磁兼容性與可靠性

低輻射發射和高輻射抗擾度，使其在復雜的電磁環境中也能穩定工作。并且通過了振動標準 MIL - STD - 883 Method 2007.2 Condition A 和 JESD22 – B103B Condition 1，以及跌落標準 MIL - STD - 883 Method 2002.3 Condition B 和 JESD22 – B110 Condition B，展現出了出色的可靠性。

二、應用領域廣泛

1. 負載點轉換

可用于 12V 和 24V 輸入軌的負載點轉換，為各種電子設備提供穩定的電源。

2. 時間關鍵項目

由于其快速的瞬態響應和穩定的性能，適用于對時間要求較高的項目。

3. 空間受限與高熱需求應用

其緊湊的設計和良好的散熱性能，使其在空間有限且對熱要求較高的應用中表現出色。

4. 負輸出電壓應用

可滿足特定的負輸出電壓應用需求，具體可參考 AN - 2027 SNVA425。

三、產品詳細描述

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換效率、線路和負載調節能力以及輸出精度驅動高達 2A 的負載。它采用創新的封裝，不僅增強了熱性能，還支持手工或機器焊接。

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 的可調且高精度輸出電壓。只需三個外部電阻和四個外部電容即可完成電源解決方案。

3. 保護特性

具備熱關斷、輸入欠壓鎖定、輸出過壓保護、短路保護、輸出電流限制等功能，還允許在預偏置輸出的情況下啟動。通過單個電阻可將開關頻率調節至最高 1MHz。

四、引腳配置與功能

五、規格參數

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
• 結溫：150°C
• 峰值回流焊殼溫（30 秒）：245°C
• 儲存溫度： - 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
• 工作結溫： - 55°C 至 125°C

4. 熱信息

• 結到環境熱阻（4 層 JEDEC 印刷電路板，100 個過孔，無氣流）：19.3°C/W
• 結到環境熱阻（2 層 JEDEC 印刷電路板，無氣流）：21.5°C/W
• 結到外殼（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、電流限制、調節和過壓比較器、熱特性、性能參數等方面的詳細參數。例如，使能閾值上升點標稱值為 1.18V，軟啟動源電流典型值為 8μA，電流限制閾值典型值為 2.6A 等。

6. 開關特性

• 導通定時器最小脈沖寬度：150ns
• 關斷定時器脈沖寬度：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，以及線路和負載調節曲線、輸出紋波和瞬態響應波形等，方便工程師在設計時進行參考。

六、詳細工作原理

1. COT 控制電路概述

采用恒定導通時間（COT）控制，基于比較器和導通時間單穩態觸發器，將輸出電壓反饋與內部 0.8V 參考進行比較。當反饋電壓低于參考時，主 MOSFET 導通一個由編程電阻 RON 確定的固定導通時間，RON 連接到 VIN，隨著輸入電源電壓的增加，導通時間會減少。導通時間結束后，主 MOSFET 至少保持關斷 260ns。如果反饋引腳電壓再次低于參考電平，則重復導通時間周期，從而實現調節。

2. 功能模塊描述

• 輸出過壓比較器：將 FB 引腳的電壓與 0.92V 內部參考進行比較，若 FB 電壓超過 0.92V，導通時間立即終止，實現過壓保護（OVP）。當 OVP 激活時，頂部 MOSFET 的導通時間將被禁止，直到條件消除，同時同步 MOSFET 將保持導通，直到電感電流降至零。
• 電流限制：在關斷時間通過監測同步 MOSFET 中的電流來進行電流限制檢測。當頂部 MOSFET 關斷時，電感電流通過負載、PGND 引腳和內部同步 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導通時間周期的啟動。只有當 FB 輸入小于 0.8V 且電感電流降至 2.6A 以下時，下一個開關周期才會發生。
• 熱保護：通過內部熱關斷電路實現熱保護，當結溫達到 165°C（典型值）時，設備進入低功耗待機狀態，主 MOSFET 保持關斷，VO 下降，同時 CSS 電容放電到地。當結溫降至 145°C（典型值，遲滯 20°C）以下時，SS 引腳釋放，VO 平滑上升，恢復正常運行。
• 零線圈電流檢測：通過零線圈電流檢測電路監測下部（同步）MOSFET 的電流，當電流達到零時，禁止同步 MOSFET 導通，直到下一個導通時間，實現不連續導通模式（DCM），提高輕載效率。
• 預偏置啟動：LMZ14202EXT 能夠在預偏置輸出的情況下正常啟動，適用于多軌邏輯應用中不同電源軌之間存在電流路徑的啟動情況。

3. 設備功能模式

• 不連續導通模式（DCM）和連續導通模式（CCM）選擇：輕載時，調節器工作在 DCM 模式，負載電流超過臨界導通點時，工作在 CCM 模式。在 DCM 模式下，開關周期從電感電流為零開始，上升到峰值，然后在關斷時間結束前回落到零，在此期間負載電流由輸出電容提供。DCM 模式下開關頻率較低，且隨負載電流變化較大，由于負載較小和開關頻率較低，傳導和開關損耗降低，從而保持轉換效率。

七、應用與實現

1. 應用信息

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換為較低的直流電壓，最大輸出電流為 2A?？梢酝ㄟ^手動設計或使用 WEBENCH 軟件來選擇組件進行設計。

2. 典型應用

給出了評估板的原理圖和物料清單，包括各個元件的型號、參數和制造商等信息。同時，詳細介紹了設計步驟，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、選擇軟啟動電容、選擇 CO 和 CIN、設置工作頻率、確定模塊功耗以及進行 PCB 布局等。

3. 設計步驟詳解

• 使能分壓器選擇：使能輸入提供精確的 1.18V 帶隙上升閾值，可直接進行邏輯驅動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，可以實現可編程欠壓鎖定功能，常用于電池供電系統中防止電池深度放電，或在系統設計中用于輸出軌的排序。
• 輸出電壓選擇：輸出電壓由連接在 VO 和地之間的兩個電阻分壓器確定，分壓器中點連接到 FB 輸入。FB 引腳電壓與 0.8V 內部參考進行比較，當 FB 引腳電壓低于 0.8V 時，啟動導通時間周期，使輸出電壓上升。通過選擇合適的反饋電阻，可以設置所需的輸出電壓。同時，在 RFBT 上并聯一個前饋電容可以改善負載階躍瞬態響應。
• 軟啟動電容選擇：可編程軟啟動允許調節器在使能后緩慢上升到穩態工作點，減少輸入電源的浪涌電流，減緩輸出電壓上升時間，防止過沖。內部 8μA 電流源對外部軟啟動電容充電，達到穩態運行的軟啟動時間由公式 (t{SS}=V{REF} × C{SS} / I{SS}) 計算。使用 0.022μF 電容可實現 2.2ms 的軟啟動時間，這是推薦的最小值。在使能輸入拉低、熱關斷、過流故障和內部 VCC UVLO 等情況下，軟啟動電容將通過內部 200μA 電流沉放電到地。
• CO 選擇：模塊內部不包含所需的 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?？梢酝ㄟ^公式 (C{O} geq I{STEP } × V{FB} × L × V{IN} / (4 × V{O} × (V{IN} - V{O}) × V_{OUT - TRAN})) 進行初步估算。
• CIN 選擇：LMZ14202EXT 模塊內部包含一個 0.47μF 的輸入陶瓷電容，外部需要額外的輸入電容來處理應用的輸入紋波電流。輸入電容應靠近模塊放置，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用的最大輸入電壓高 25%。如果系統設計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}) 進行計算。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。
• RON 電阻選擇：可以根據所需的開關頻率使用公式 (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 控制部分導通時間和關斷時間的限制，導通時間 (t{ON} = (1.3 × 10^{-10} × R{ON}) / V{IN}) ，最大 VIN 時的導通時間應大于 150ns。同時，最小關斷時間 260ns 限制了最大占空比，在需要大占空比的應用中，需要選擇較大的 RON（較低的 FSW）。在 DCM 模式下，開關頻率可以通過公式 (f{SW(DCM)} cong V{O} × (V{IN} - 1) × 10μH × 1.18 × 10^{20} × I{O} / (V{IN} - V{O}) × R_{ON}^{2}) 計算。

4. 應用曲線

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

八、電源供應建議

LMZ14202EXT 設計用于在 6V 至 42V 的輸入電壓范圍內工作，輸入電源必須穩壓，能夠承受最大輸入電流并保持穩定的電壓。輸入電源軌的電阻要足夠低，以防止輸入電流瞬變導致 LMZ14202EXT 電源電壓下降過大，從而觸發錯誤的 UVLO 故障和系統復位。如果輸入電源距離 LMZ14202EXT 較遠，可能需要額外的大容量電容。

九、PCB 布局

1. 布局準則

• 最小化開關電流回路面積：從減少 EMI 的角度出發，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 區域，降低輻射 EMI。輸入和輸出電容的接地應采用局部頂層平面連接到 GND 外露焊盤（EP）。
• 單點接地：反饋、軟啟動和使能組件的接地連接必須路由到設備的 GND 引腳，以防止開關或負載電流在模擬接地跡線中流動，避免影響負載調節或導致輸出電壓紋波不穩定。從引腳 4 到 EP 提供單點接地連接。
• 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}) 應靠近 FB 引腳放置。由于 FB 節點是高阻抗的，要盡量減小銅面積。 (R{FBT}) 、 (R{FBB}) 和 (C{FF}) 的跡線應遠離 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換器輸入或輸出的電壓降，提高效率。為了優化負載處的電壓精度，應確保為負載提供單獨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