探索LM5115/LM5025A評(píng)估板：高效電源轉(zhuǎn)換的秘訣

在電子工程師的日常工作中，電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。今天，我們就來深入探討一下德州儀器（TI）的LM5115/LM5025A評(píng)估板，看看它在電源轉(zhuǎn)換方面能為我們帶來哪些驚喜。

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1. 評(píng)估板概述

功能與替代方案

LM5115/LM5025A評(píng)估板為設(shè)計(jì)工程師提供了一種從現(xiàn)有的有源鉗位正激拓?fù)渲袑?shí)現(xiàn)二次側(cè)后調(diào)節(jié)（SSPR）輸出的解決方案。雖然文檔主要圍繞LM5025A有源鉗位評(píng)估板展開，但實(shí)際上其他類型的隔離式電源轉(zhuǎn)換器，如推挽、半橋和全橋轉(zhuǎn)換器，也可以替代LM5025A有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動(dòng)LM5115交流評(píng)估板。

規(guī)格參數(shù)

• 輸入電壓：36V至72V，LM5025A標(biāo)稱值為48V。
• 主輸出電壓：標(biāo)稱值為3.3V。
• 主輸出電流：0至30A。
• 主電流限制：約30A。
• 次級(jí)輸出電壓：2V。
• 次級(jí)輸出電流：0至9A。
• 次級(jí)電流限制：約9A。
• 次級(jí)效率：在36V、負(fù)載電流為1A時(shí)為98%；在48V、負(fù)載電流為4A時(shí)為93%。
• 負(fù)載調(diào)節(jié)：在36V < Vin < 72V的范圍內(nèi)，從1A到7A負(fù)載變化時(shí)電壓變化2mV。
• 尺寸：2.0 × 1.125 × 0.375英寸。

PCB設(shè)計(jì)

評(píng)估板的印刷電路板由4層2盎司銅的FR4材料制成，厚度為0.050英寸。它設(shè)計(jì)用于在額定負(fù)載下連續(xù)運(yùn)行，最小氣流為200 LFPM。

2. 工作原理

SSPR技術(shù)

LM5115控制器采用二次側(cè)后調(diào)節(jié)（SSPR）技術(shù)，能夠從隔離式電源轉(zhuǎn)換器的二次側(cè)開關(guān)波形中開發(fā)出高效且穩(wěn)定的輔助輸出。這種技術(shù)使得評(píng)估板在電源轉(zhuǎn)換方面具有出色的性能。

同步與控制

LM5115的同步信號(hào)來自變壓器二次繞組的主脈沖信號(hào)。電阻R2和R4感應(yīng)脈沖信號(hào)，形成內(nèi)部同步信號(hào)和內(nèi)部電流，用于對(duì)LM5115的RAMP進(jìn)行充電。LM5115通過前沿脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制降壓功率級(jí)，在建立必要的伏秒數(shù)以進(jìn)行調(diào)節(jié)之前，阻止高端驅(qū)動(dòng)器。

偏置與自適應(yīng)死區(qū)控制

偏置信號(hào)來自整流后的脈沖信號(hào)。由于脈沖信號(hào)的峰峰值在6Vpp至12Vpp之間變化（輸入電壓從36V到72V），VCC穩(wěn)壓器直到峰峰值略高于7.5V時(shí)才會(huì)將電壓穩(wěn)定在7V。自適應(yīng)死區(qū)控制可以延遲頂部和底部驅(qū)動(dòng)器，避免直通電流。

3. 板布局與探測

布局與組件

圖1、圖2和圖3展示了LM5115交流模式評(píng)估板與LM5025A板結(jié)合使用時(shí)的板布局、主要組件和關(guān)鍵探測點(diǎn)。在給板加電之前，需要注意以下幾點(diǎn)：

• 主輸入電源（36V至72V）分別連接到LM5025A板的J1和J4點(diǎn)，對(duì)應(yīng)VIN和GND。
• 在最大負(fù)載電流下，主要載流組件（LM5115板的L1、Q1和Q2；LM5025A板的L2、Q3 - Q6）會(huì)發(fā)熱，操作時(shí)需小心。當(dāng)負(fù)載電流超過5A時(shí)，需要使用風(fēng)扇提供強(qiáng)制氣流。
• 連接負(fù)載的電線直徑和長度很重要，建議使用至少14號(hào)規(guī)格的電線，以確保電線中不會(huì)有明顯的電壓降。

4. 板連接與啟動(dòng)

輸入電源連接

輸入電源連接到LM5025A評(píng)估板的J1（+）和J4（-）端子。輸入源必須能夠?yàn)長M5025A板和LM5115板的輸出負(fù)載供電。LM5115的輸入由LM5025A板的二次繞組提供，J7（LM5025A）連接到J1（LM5115），J10（LM5025A）連接到J2（LM5115）。

負(fù)載連接與監(jiān)測

主負(fù)載連接到LM5025的J9（+）和J5（-）端子，J3（+）和J4（-）是LM5115的負(fù)載連接端子。啟動(dòng)前，應(yīng)將電壓表連接到輸入和輸出端子，并使用電流表或電流探頭監(jiān)測輸入電流。LM5115提供的軟啟動(dòng)功能可確保輸出平穩(wěn)上升，無過沖。即使在輕載或無負(fù)載的情況下，LM5115評(píng)估板也能在連續(xù)導(dǎo)通模式下工作。

5. 性能表現(xiàn)

各項(xiàng)性能指標(biāo)

評(píng)估板的性能可以通過以下圖表進(jìn)行評(píng)估：

• 功率轉(zhuǎn)換效率：如圖5和圖6所示。
• 柵極延遲：如圖7和圖8所示。
• 短路響應(yīng)：如圖9所示。
• 階躍負(fù)載響應(yīng)：如圖10和圖11所示。
• 啟動(dòng)和關(guān)機(jī)響應(yīng)：如圖12和圖13所示。
• 紋波電壓：如圖14所示。
• 負(fù)載調(diào)節(jié)：如圖15所示。
• 次級(jí)閉環(huán)頻率響應(yīng)：如圖16所示。

6. VCC輸出

LM5115產(chǎn)生一個(gè)7V的LDO穩(wěn)壓輸出（VCC），可提供高達(dá)40mA的直流電流。VCC穩(wěn)壓器為低端MOSFET的高電流柵極驅(qū)動(dòng)和高端MOSFET驅(qū)動(dòng)器的自舉電容供電。

7. 電流限制操作

電流感應(yīng)與限制

電感電流通過R7、R8和R9的并聯(lián)電阻進(jìn)行感應(yīng)。電阻值設(shè)計(jì)為電流限制約為9A。當(dāng)感測電阻兩端的電壓差超過45mV時(shí)，電流感測放大器會(huì)拉低CO和COMP引腳，從而限制轉(zhuǎn)換器的輸出電流。達(dá)到電流限制后，電壓反饋會(huì)使COMP引腳上升，再次開啟高端驅(qū)動(dòng)器，直到電感電流再次達(dá)到約9A的電流限制閾值。

電流注入與穩(wěn)定性

并聯(lián)電阻還將電感電流注入LM5115反饋回路。將與瞬時(shí)電感電流成比例的信號(hào)注入電壓模式控制器可以提高控制回路的穩(wěn)定性和帶寬。這種電流注入方式消除了電壓模式控制通常所需的反饋路徑中的超前R - C網(wǎng)絡(luò)，不僅簡化了補(bǔ)償，還降低了對(duì)輸出噪聲的敏感度。

噪聲處理

在存在噪聲電流感測的情況下，在CS和VOUT輸入處添加低通濾波器可以幫助恢復(fù)更干凈的波形，但要注意避免過大的RC時(shí)間常數(shù)導(dǎo)致不穩(wěn)定。

8. 折返電流限制

實(shí)現(xiàn)方式

通過R17、R18、C10、D5和R16等組件可以實(shí)現(xiàn)電流限制折返。在標(biāo)稱輸出電壓（VOUT > 3V）下，D5反向偏置，電流限制閾值仍約為45mV。在較低輸出電壓下，電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)和正向偏置的二極管（D5）會(huì)增加R16兩端的電壓，從而降低感測電阻（R7 - R9）兩端的電壓，實(shí)現(xiàn)電流限制折返。

常見問題

當(dāng)電源的電流限制設(shè)置不足以滿足負(fù)載需求時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)源電源折返和被測單元進(jìn)入欠壓關(guān)機(jī)的相互作用，導(dǎo)致振蕩或抖動(dòng)，這可能會(huì)產(chǎn)生不良后果。

9. 可選的DC降壓配置

LM5115還可以配置為DC降壓穩(wěn)壓器，相關(guān)信息可在《LM5115 Secondary Side Post Regulator/Synchronous Buck Controller（SNVS343）》中找到。

10. 典型性能特性

文檔中提供了一系列典型性能特性的圖表，包括代表性波形、系統(tǒng)效率與負(fù)載電流和輸入電壓的關(guān)系、柵極開啟和關(guān)閉延遲、次級(jí)輸出短路響應(yīng)、階躍負(fù)載響應(yīng)、啟動(dòng)和關(guān)機(jī)響應(yīng)、紋波電壓、輸出與負(fù)載電流和輸入電壓的關(guān)系以及次級(jí)閉環(huán)響應(yīng)等。這些圖表為工程師評(píng)估評(píng)估板的性能提供了重要依據(jù)。

11. 物料清單

文檔中詳細(xì)列出了評(píng)估板的物料清單，包括電容、二極管、電阻、MOSFET、電感和控制器等組件的型號(hào)和規(guī)格。這對(duì)于工程師進(jìn)行電路板的組裝和維修非常有幫助。

12. PCB布局

文檔提供了LM5115評(píng)估板的PCB布局圖，包括頂層絲印、頂層、第二層、第三層、底層和底層絲印等視圖。合理的PCB布局對(duì)于評(píng)估板的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。

13. 應(yīng)用電路原理圖

文檔展示了LM5025A評(píng)估板和LM5115交流評(píng)估板的原理圖，這有助于工程師理解評(píng)估板的電路結(jié)構(gòu)和工作原理。

總結(jié)

LM5115/LM5025A評(píng)估板是一款功能強(qiáng)大的電源轉(zhuǎn)換評(píng)估板，它采用了先進(jìn)的SSPR技術(shù)，具有高效、穩(wěn)定的性能。通過合理的板布局、連接和啟動(dòng)方式，以及對(duì)電流限制和折返等功能的有效控制，評(píng)估板能夠滿足不同應(yīng)用場景的需求。電子工程師在進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)時(shí)，可以參考該評(píng)估板的設(shè)計(jì)和性能特點(diǎn)，為自己的項(xiàng)目提供有益的借鑒。你在使用類似評(píng)估板的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。