探索LM5001非隔離反激式評估板：設(shè)計與性能解析

在電子工程師的日常工作中，評估板是驗證和開發(fā)電源轉(zhuǎn)換解決方案的重要工具。今天，我們將深入探討德州儀器（Texas Instruments）的LM5001非隔離反激式評估板，了解其設(shè)計特點、性能表現(xiàn)以及使用過程中的注意事項。

文件下載：LM5001NISOEVAL.pdf

評估板概述

LM5001非隔離反激式評估板旨在為設(shè)計工程師提供一個基于電流模式控制的全功能非隔離反激式電源轉(zhuǎn)換器，用于評估LM5001開關(guān)穩(wěn)壓器IC。該評估板可提供5V輸出，電流能力為1A，輸入電壓范圍為16V至42V。其工作頻率為250KHz，在轉(zhuǎn)換效率和解決方案尺寸之間取得了良好的平衡。印刷電路板采用FR4材料，兩層2盎司銅，厚度為0.062英寸。

性能參數(shù)

• 輸入范圍：16 - 42V
• 輸出電壓：5V，±2%
• 輸出電流：0 - 1A
• 工作頻率：250 kHz
• 板尺寸：2.75 × 1.75 × 0.6英寸
• 負(fù)載調(diào)整率：0.1%
• 線性調(diào)整率：0.1%
• 過流限制：具備過流保護(hù)功能

供電與負(fù)載注意事項

快速設(shè)置步驟

1. 設(shè)置輸入源電流限制：將輸入源電流限制設(shè)置為1A，關(guān)閉輸入源。將輸入源的正輸出連接到J1，負(fù)輸出連接到J2。
2. 連接負(fù)載：將具有1A能力的負(fù)載連接到J3（正連接）和J4（負(fù)連接）。
3. 啟用引腳設(shè)置：正常操作時，ENABLE引腳（J7）應(yīng)保持開路。
4. 初始電壓和負(fù)載設(shè)置：將輸入源電壓設(shè)置為28V，負(fù)載設(shè)置為0.1A。負(fù)載電壓應(yīng)在額定5V輸出范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
5. 增加負(fù)載：緩慢增加負(fù)載，同時監(jiān)測J3和J4處的負(fù)載電壓。在負(fù)載增加到1A時，負(fù)載電壓應(yīng)保持在額定5V輸出范圍內(nèi)。
6. 輸入電壓掃描：緩慢將輸入源電壓從16V掃描到42V。負(fù)載電壓應(yīng)保持在額定5V輸出范圍內(nèi)。
7. 關(guān)機功能檢查：暫時將ENABLE引腳（J7）短接到GND（J5），檢查關(guān)機功能。
8. 過流保護(hù)檢查：將輸入源設(shè)置為28V，增加負(fù)載超過正常范圍，檢查電流限制。輸出電流應(yīng)限制在約1.9A。此步驟需要增加輸入源電流限制，并確保風(fēng)扇冷卻。

氣流要求

在滿功率和高環(huán)境溫度下長時間運行會導(dǎo)致穩(wěn)壓器IC內(nèi)的熱關(guān)斷電路激活。因此，應(yīng)始終提供至少200 LFM的風(fēng)扇。

上電操作

使用提供的ENABLE引腳（J7）可以在低電流水平下啟動輸入源。建議在首次上電時保持負(fù)載功率較低。將輸入源的電流限制設(shè)置為負(fù)載預(yù)期功率的約1.5倍。當(dāng)斷開ENABLE引腳與GND（J5）的連接時，立即檢查輸出是否為5V。通過快速效率檢查可以確認(rèn)一切是否正常運行。

過流保護(hù)

評估板配置了逐周期過流保護(hù)功能，該功能完全包含在LM5001中。初級電流限制約為1A，當(dāng)輸入電壓為16V時，相當(dāng)于約1.4A的負(fù)載電流；當(dāng)輸入電壓為42V時，相當(dāng)于約2.1A的負(fù)載電流。在過載情況下，各種電路組件的熱應(yīng)力相當(dāng)嚴(yán)重，因此應(yīng)限制過載持續(xù)時間并提供足夠的冷卻（氣流）。

同步功能

評估板上提供了SYNC引腳（J6），可用于將穩(wěn)壓器同步到外部時鐘，或者通過連接多個評估板的SYNC引腳將它們同步在一起。

反激式拓?fù)浞治?/h2>

反激式變壓器

在向磁體制造商指定反激式變壓器時，需要考慮兩個因素：匝數(shù)比以確定占空比D（MOSFET導(dǎo)通時間與開關(guān)周期的比較）和初級電感（LPRI）以確定電流模式控制的電流感測斜坡。在連續(xù)電流模式（CCM）下，初級電感設(shè)計為在MOSFET導(dǎo)通時間內(nèi)提供約為滿載MOSFET電流30%的斜坡，以提供良好的電流模式控制信噪比。CCM占空比可以設(shè)計為在標(biāo)稱輸入電壓下為50%。

功率級分析

在任何將功率MOSFET置于電感器和輸出電容器之間的開關(guān)模式拓?fù)洌ㄈ缟龎骸⒔祲?- 升壓、反激、SEPIC等）中，功率級在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下的環(huán)路傳遞函數(shù)中會產(chǎn)生右半平面零點（RHPZ）。如果拓?fù)湓诓贿B續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）下運行，則RHPZ不存在。RHPZ是占空比、負(fù)載和電感的函數(shù)，會導(dǎo)致環(huán)路增益增加，同時降低環(huán)路相位裕度。常見的做法是確定最壞情況下的RHPZ頻率，并將環(huán)路單位增益頻率設(shè)置為低于RHPZ頻率的三分之一。

環(huán)路補償

環(huán)路帶寬和相位裕度決定了對負(fù)載瞬變的響應(yīng)，同時確保輸出噪聲水平滿足要求。常見的環(huán)路單位增益頻率選擇是開關(guān)頻率的5%，這種選擇易于補償、噪聲低，并且為大多數(shù)應(yīng)用提供足夠的瞬態(tài)響應(yīng)。通過檢查工廠波特圖在所需環(huán)路單位增益頻率下的增益和相位，設(shè)計補償器以調(diào)整環(huán)路增益和相位，以滿足預(yù)期的環(huán)路單位增益頻率和相位裕度（通常約為55°）。

MOSFET和二極管額定值

MOSFET的峰值電流可以通過特定公式確定，功率MOSFET必須能夠承受輸入電壓加上輸出電壓乘以匝數(shù)比的關(guān)斷電壓。此外，任何漏感都會導(dǎo)致關(guān)斷電壓尖峰，可使用RCD端接或二極管 - 齊納鉗位來限制尖峰幅度。二極管的平均電流在正常情況下等于輸出電流，但二極管應(yīng)設(shè)計為在最壞情況下處理連續(xù)電流限制條件。二極管的最大反向電壓在MOSFET導(dǎo)通時間出現(xiàn)，其反向電容會與變壓器電感和其他寄生元件產(chǎn)生一定程度的諧振，導(dǎo)致振鈴，通?？墒褂肦C緩沖網(wǎng)絡(luò)消除振鈴。

性能特性

效率曲線

圖2展示了在幾種輸入電壓條件下的轉(zhuǎn)換效率與輸出電流的關(guān)系。

啟動波形

在向LM5001評估板供電時，會發(fā)生軟啟動序列。圖3顯示了典型啟動序列期間的輸出電壓。

輸出紋波波形

圖4顯示了輸出電壓紋波，測量時將示波器探頭尖端置于J3負(fù)載端子，探頭接地“桶”壓在J4負(fù)載端子上，示波器帶寬設(shè)置為20 MHz。

初級開關(guān)節(jié)點波形

圖5顯示了連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下的典型初級電壓。

物料清單

文檔提供了詳細(xì)的物料清單，包括電容、電阻、二極管、變壓器、穩(wěn)壓器和端子等組件的型號、數(shù)量和描述。

PCB布局

文檔還展示了評估板的絲印、元件面和焊接面的PCB布局圖。

總之，LM5001非隔離反激式評估板為電子工程師提供了一個全面的平臺，用于評估和開發(fā)基于LM5001開關(guān)穩(wěn)壓器IC的非隔離反激式電源轉(zhuǎn)換器。通過了解其設(shè)計特點、性能表現(xiàn)和使用注意事項，工程師可以更好地利用該評估板進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換解決方案的設(shè)計和優(yōu)化。你在使用類似評估板時遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。