20A降壓型DC - DC控制器評估板EVAL - ADP1828HC設計解析

在電子設計領域，DC - DC控制器評估板的設計至關重要，它能幫助工程師快速驗證和應用相關技術。今天我們就來深入探討一下20A降壓型DC - DC控制器評估板EVAL - ADP1828HC。

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評估板概述

EVAL - ADP1828HC評估板主要用于評估ADP1828控制器。其輸入電壓范圍為6V至18V，輸出電壓固定為1.8V，最大負載電流可達20A。為了在效率和功率元件尺寸之間取得良好平衡，設計中選擇了300kHz的開關頻率。

ADP1828器件特性

ADP1828是一款同步PWM電壓模式降壓控制器，它驅動全N溝道功率級，能將輸出電壓調節至低至0.6V，最高可達輸入電壓的85%，適合處理大尺寸MOSFET，適用于各種高功率應用，如DSP和處理器核心I/O電源，以及電信、醫療成像、PC、游戲和工業應用中的通用電源。

它的輸入電壓范圍為3V至18V，內部LDO在輸入電壓為5.5V至18V時可產生5V輸出。開關頻率可通過引腳選擇固定為300kHz或600kHz，也可使用電阻設置在300kHz至600kHz之間的任意頻率，還能與外部時鐘同步，最高可達開關頻率的2倍。其時鐘輸出可用于同步ADP1828或其他器件，如ADP1829，無需外部時鐘源。此外，它還具備軟啟動保護、預充電輸出的軟啟動反向電流保護、電壓跟蹤、電源良好指示以及利用外部MOSFET感應的可調無損電流限制方案，采用20引腳QSOP封裝。

關鍵元件設計

電感選擇

本設計選用了Würth Elektronik Group的744355182型號電感，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）和低磁芯損耗的優點。

輸入電容選擇

對于輸入電壓高達18V、負載高達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。也可選擇價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電阻（ESR）較大。本設計最終選用了Sanyo的OS - CON?聚合物電容器，這種電容器尺寸相對較小、ESR低且具有高電流紋波額定值。當輸入電壓為18V、電感為0.82μH時，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20SP180M（180μF/20V，每個紋波額定值為4.28A）的OS - CON電容器并聯，可提供8.56A的有效紋波額定值，滿足設計要求。

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}})近似計算。對于20A的階躍負載，抑制電流紋波需要較大的大容量電容（約1000μF），使用十個100μF的MLCC成本較高。本設計選用了POSCAP?聚合物電容器，因其占地面積小、高度低且ESR低。

為實現快速負載階躍響應和合理的過沖電壓，需要計算輸出的最小電容，計算公式為(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1000μF的POSCAP電容器（2R5TPD1000M5，100μF/2.5V，5mΩ，6A電流紋波額定值）和一個47μF的MLCC作為輸出電容，兩個POSCAP電容器并聯可提供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

一般來說，高端MOSFET應選擇上升和下降時間快、輸入電容低的型號，對于低占空比電路，快速的上升和下降時間尤為重要，因為開關損耗較高。低端MOSFET應選擇導通電阻（(R_{DSON})）低的型號，開關速度不是關鍵因素，因為低端MOSFET沒有開關損耗，僅在死區時間內，低端MOSFET的體二極管會有少量功率損耗。

本設計的占空比范圍為10%至30%（輸入電壓為6V至18V），因此選擇具有快速開關和低輸入電容的高端MOSFET以及低(R{DSON})的低端MOSFET至關重要。Infineon Technologies的BSC080N03LS（PG - TDSON - 8或Super - SO8封裝）具有快速的上升和下降時間（3ns）、低輸入電容（1.2nF）和低(R{DSON})（在(V{GS}=4.5V)時為12mΩ），非常適合作為20A應用中的高端MOSFET。低端MOSFET選用兩個Infineon Technologies的BSC030N03LS并聯，在(V{GS}=4.5V)時，(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，可能會導致SW節點過度振鈴，降低重載時的效率。

其他設計要點

軟啟動

軟啟動周期由公式(C{SS}=8.015 × t{SS})確定，本設計選擇(C_{SS})為150nF，可實現19ms的軟啟動周期。

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})計算，其中(Delta I{L})可通過(Delta I{L}=frac{V{OUT }(1 - D)}{f{SW} × L})近似計算。在本設計中，MOSFET BSC030N03LS在(V{GS}=4.5V)時(R{DSON})為4.7mΩ，兩個并聯后的有效(R{DSON})為2.35mΩ，當輸入電壓為18V時，(Delta I{L})計算為6.6A。若(I{LIMIT})設置為25A，則(R{CL})計算為1.33kΩ。需要注意的是，MOSFET的(R_{DSON})在不同器件之間可能會有超過25%的差異，在溫度范圍內變化可能超過50%，因此實際電流限制在不同器件和溫度范圍內可能會有超過50%的變化。

開關噪聲和過沖抑制

在SW和PGND之間添加RC緩沖器可以降低SW節點和外部MOSFET漏極的噪聲和振鈴。本設計中添加的RC緩沖器，(R{SNUB})為3.01Ω，(C{SNUB})為1.2nF。此外，添加柵極電阻可以降低MOSFET漏極的過沖電壓。

補償設計

由于每個輸出POSCAP電容器的ESR較低（5mΩ），本設計采用了III型補償。評估板的補償值已優化為：(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)。

測試結果

評估板進行了多項測試，包括輸出紋波、效率與負載電流關系、軟啟動到預充電負載、負載瞬態、線路瞬態、電感電流波形、負載調節和線路調節等測試。這些測試結果為評估板的性能提供了有力的數據支持。

操作說明

使用評估板時，需要按照以下步驟進行操作：

1. 將跳線JP3置于導通位置以啟用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連接到外部時鐘或另一個ADP1828的CLKOUT。
5. 將跳線JP1（CLKSET）連接到高電平，設置CLKOUT為內部振蕩器頻率的2倍且與振蕩器同相；或連接到低電平，設置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. 將負載連接到輸出端子J13。

總結

EVAL - ADP1828HC評估板為工程師提供了一個全面的平臺，用于評估ADP1828控制器在20A降壓應用中的性能。通過合理選擇元件和優化設計，該評估板能夠實現高效、穩定的電源轉換。在實際應用中，工程師可以根據具體需求對元件進行調整和優化，以滿足不同的應用場景。你在設計類似評估板時，是否也會遇到元件選擇和參數計算的難題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。