超強數(shù)字電源模塊 —— 瑞薩RAA210130評測

Renesas作為全球領(lǐng)先的微控制器供應(yīng)商、模擬功率器件和SoC產(chǎn)品的領(lǐng)導(dǎo)者，為汽車、工業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施及物聯(lián)網(wǎng)等各種應(yīng)用提供綜合解決方案。其最新推出的RAA210130 是一款高效、且功能強大的DC/DC降壓數(shù)字電源模塊。廣泛應(yīng)用于通用電源產(chǎn)品、工業(yè)/ATE和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。作為可輸出3.3V、30A單通道數(shù)字PMBus降壓電源模塊，RAA210130能夠從一個緊湊的10mm×13mm×7.8mm熱增強BGA封裝中提供高達30A的電流,在室溫下運行，而不需要額外的冷卻系統(tǒng)。并且效率高達96%。該模塊顯著降低了設(shè)計復(fù)雜性和制造風(fēng)險。可以使客戶相關(guān)產(chǎn)品縮短了上市時間。-

為了方便客戶評估RAA210130性能，Renesas最新推出了評估板RTKA210130DE0020BU來提供評估必要的外圍電路。該評估板還具有內(nèi)置負載瞬態(tài)測試電路，可用于測試RAA210130模塊的負載瞬態(tài)響應(yīng)。

實物開箱和硬件介紹

拿到手的RTKA210130DE0020BU評估板如圖1所示，體積非常小，長寬尺寸只有95mm×88mm，旁邊的鼠標作為參照，可以感受評估板的實際大小。整個板體由4個絕緣柱支撐。這樣設(shè)計評估板在放置和拿取的時候更合理，也方便了很多。

圖1 整體圖

評估板RTKA210130DE0020BU的如圖2、圖3所示，其功能分區(qū)大體如下。

圖2 頂面布局圖

圖3 底面布局圖

主要性能參數(shù)

評估板RTKA210130DE0020BU主要性能和參數(shù)如下所示：

• 輸入電壓范圍：4.75V至15V
• 可調(diào)輸出電壓：0.45V至3.3V，默認0.85V
• IOUT-MAX = 30A
• fSW最高至1.25MHz
• 在整個線路、負載與溫度范圍內(nèi)的精度為±0.7%
• 轉(zhuǎn)換效率高達96%
• 預(yù)偏置輸出啟動
• 兼容PMBus V1.3
• 支持通過PMBus編程配置各項功能，如軟啟動/軟停止、開關(guān)頻率、輸出電壓、環(huán)路相應(yīng)等
• 專用使能引腳和電源良好指示引腳
• 可編程過流、過壓、欠壓和過熱保護

電路圖分析

RTKA210130DE0020BU評估板包括幾個連接器、測試點、一個機械開關(guān)和幾個跳線帽。

如圖2所示，RTKA210130DE0020BU評估板通過切換EN開關(guān)來打開或者關(guān)閉輸出。在3_3V_VIN_OPTION的引腳1和引腳2之間連接一個跳線，允許使用VIN為內(nèi)部模擬5V和3.3V電源供電。RTKA210130DE0020BU評估板有一個內(nèi)置的負載瞬態(tài)測試電路，方便測試RAA210130的負載瞬態(tài)響應(yīng)（見圖3）。

圖4 電氣原理圖

3.3V輸出配置

RTKA210130DE0020BU評估板的原理圖如圖4所示。配置3.3V輸出，需刪除R15，并用499Ω電阻填充R17。用0Ω電阻器更換R14。在12V0和TP1GND之間施加12V電壓，將萬用表表筆連接到TP3（VOUT）和TP4（GND）端子，將開關(guān)SW1置于ON的位置。觀察萬用表示數(shù)，可測得輸出電壓為3.3V。有關(guān)3.3V操作的更多信息，參見RAA210130數(shù)據(jù)表。

使用外部5V/3.3V模擬電源配置

配置使用外部5V/3.3V模擬電源，需關(guān)閉電源板，并拆下3_3V_VIN_OPTION上的跳線帽。將5V電壓連接到V5P0測試點，將3.3V電壓連接到V3P3測試點。3_3V_VIN_OPTION、V3P3和V5P0的具體位置，參見圖2。

用戶配置

RAA210130支持28個非易失性寄存器存儲用戶配置標識符。其中15個為預(yù)加載的配置標識符，表1提供了VOUT配置的標識符及對應(yīng)的電阻值。另外13個寄存器用于存儲新的用戶配置標識符或者替代已有的標識符。

配置的存儲和加載使用超級導(dǎo)航器完成。超級導(dǎo)航器的使用可以參見文檔 REN_RTKA210130DE0020BU_MAT_20220701 以及Renesas 官網(wǎng)中視頻與培訓(xùn)的內(nèi)容。

表1

對應(yīng)用戶配置的最小VIN、開關(guān)頻率、輸出電容器組合等參數(shù)，詳見表2 RAA210130設(shè)計矩陣。

表2

相關(guān)資料

核心器件

RAA210130為評估板核心器件，性能非常強大。具體性能如下：

? 完整數(shù)字電源

? 單路輸出電流可達30A，電壓輸入范圍4.75V至15V，效率高達96%。

? 可編程輸出電壓，輸出值在0.45V至3.3V之間可設(shè)置，在整個線路、負載與溫度范圍內(nèi)的精度為±0.7%。

? 先進的線性數(shù)字調(diào)制方案：

1)?? 固定開關(guān)頻率可高達1.25MHz；

2)?? 邊緣調(diào)制可與二極管制動配合，具有更快的瞬態(tài)響應(yīng)；

3)?? 出色的VOUT過渡性能。

? 兼容PMBus V1.3：

支持通過PMBus編程配置各項功能，如軟啟動/軟停止、開關(guān)頻率、輸出電壓、環(huán)路相應(yīng)等專用使能引腳和電源良好指示引腳

? 散熱增強型10mm×13mm×7.8mm BGA-PoP封裝

官網(wǎng)資料

Renesas官網(wǎng)上有RAA210130模塊的數(shù)據(jù)手冊、相關(guān)文檔、設(shè)計和開發(fā)資源、樣片和視頻培訓(xùn)等信息，通過學(xué)習(xí)這些資料可以更全面的了解芯片功能和性能，助力研發(fā)工作。

圖5 官網(wǎng)資料

上電實驗

上電實驗用到的設(shè)備如圖6所示：

? RTKA210130DE0020BU評估板

? 可調(diào)直流電源

? 電子負載

? 電源插排

? 萬用表

圖6實驗設(shè)備

實驗為測量評估板電壓輸出，并計算電源的負載調(diào)整率。在實驗之前先搭建實驗平臺。

1） 將SW1開關(guān)置于OFF位置，禁用電源模塊。

2） 將3_3V_VIN_OPTION的引腳1和2用跳線帽連接。

3） 使用導(dǎo)線將直流輸入電源連接到端子12V0和TP1GND，將電子負載連接到端子J4、J5 ?(VOUT)和J6、J7 ?(GND)。確保電源引線的極性正確，輸入電壓在模塊的工作范圍（4.75V - 15V）范圍內(nèi)。

4）? 將萬用表表筆接到測試點TP3（VOUT）和TP4（PGND），打開萬用表，撥到直流電壓檔。

實驗平臺搭建好后，打開輸入電源，進行加載。步驟如下：

5） 打開輸入電源。

6） 將開關(guān)SW1置于ON位置，啟用電源模塊。

7） 調(diào)整輸入電壓VIN分別置于5V/8V/12V，在每種輸入電壓下調(diào)整負載電流（由于測量儀器的限制，范圍取為0 - 15A），觀察并記錄輸出電壓值。

數(shù)據(jù)經(jīng)過整理計算得到表3。可以通過表3了解該評估板的輸出能力。

表3

從表格中可以看出，RAA210130電壓輸出精度很高，負載調(diào)整能力很強。

小結(jié)

通過開箱觀察和資料學(xué)習(xí)，我們了解了RAA210130的主要參數(shù)、工作原理、板面布局，以及核心器件的參數(shù)。通過上電實驗，我們了解了RAA210130的電壓輸出和負載調(diào)整率等電氣特性。

RAA210130在設(shè)計、性能和實際應(yīng)用方面都表現(xiàn)出色，是一款性能極其優(yōu)異的電源模塊，為工程師提供了可靠的解決方案，尤其適用于通用電源產(chǎn)品、工業(yè)/ATE和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等多個領(lǐng)域。