LM5035C評估板：高效半橋拓撲電源轉(zhuǎn)換器評測

在電源轉(zhuǎn)換設(shè)計領(lǐng)域，選擇合適的評估板對于工程師來說至關(guān)重要。今天我們就來深入了解一下基于半橋拓撲的LM5035C評估板，它為設(shè)計工程師提供了一個功能完備的電源轉(zhuǎn)換器，用于評估LM5035C控制器。

文件下載：LM5035CEVAL/NOPB.pdf

一、評估板簡介

1.1 基本信息

LM5035C評估板采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的四分之一磚尺寸，其核心是LM5035C控制器，它是LM5035B半橋PWM控制器的功能變體，SR控制信號幅度為5V，而非VCC電平。

1.2 性能參數(shù)

• 輸入范圍：36V - 75V
• 輸出電壓：3.3V
• 輸出電流：0 - 30A
• 效率：30A時效率達89%，15A時效率為92%
• 工作頻率：400kHz
• 尺寸：2.28 x 1.45 x 0.5英寸
• 負載調(diào)節(jié)率：0.2%
• 線性調(diào)節(jié)率：0.1%
• 欠壓鎖定：33.9V/31.9V（開/關(guān)）
• 過壓保護：79.4V/78.3V（關(guān)/開）
• 打嗝式限流

1.3 電路板設(shè)計

該評估板的印刷電路板為6層結(jié)構(gòu)，外層采用2盎司銅，內(nèi)層為3盎司銅，基于FR4材料，總厚度0.062英寸。設(shè)計可在<40°C、最小氣流200 CFM的條件下連續(xù)額定負載運行。

二、工作原理

2.1 半橋拓撲優(yōu)勢

基于半橋拓撲的電源轉(zhuǎn)換器在高達500瓦的應(yīng)用中具有高效率和良好的功率處理能力。變壓器的工作使磁通量雙向擺動，能更好地利用磁芯。

2.2 與Buck拓撲的關(guān)系

半橋轉(zhuǎn)換器源自Buck拓撲家族，采用獨立的高壓（HO）和低壓（LO）調(diào)制功率開關(guān)，具有獨立的脈沖寬度定時。與其他拓撲的主要區(qū)別在于，半橋拓撲使用變壓器實現(xiàn)輸入/輸出接地隔離和升降壓功能。

2.3 工作過程

每個周期，主初級開關(guān)導(dǎo)通，在具有8匝的初級繞組上施加一半的輸入電壓。變壓器次級有2匝，實現(xiàn)4:1的降壓。對于3.3V的輸出電壓，初級開關(guān)的復(fù)合占空比（D）從約75%（低輸入電壓）到35%（高輸入電壓）變化。

2.4 同步整流

次級采用由LM5035C控制的同步整流。軟啟動期間，同步FET體二極管作為次級整流器，直到主變壓器為柵極驅(qū)動器供電。DLY電阻為同步FET編程非重疊定時，以提高效率并消除直通電流。同步FET控制信號通過數(shù)字隔離器跨隔離邊界傳輸。

2.5 反饋與控制

輸出反饋經(jīng)放大器和參考處理，產(chǎn)生誤差電壓，通過光耦合器反饋到初級側(cè)控制。LM5035C的COMP輸入大大增加了可實現(xiàn)的環(huán)路帶寬，通過保持光耦合器兩端電壓恒定來降低其電容效應(yīng)。LM5035C電壓模式控制器用從線電壓導(dǎo)出的斜坡信號對誤差信號進行脈沖寬度調(diào)制，以減少對輸入電壓變化的響應(yīng)時間，采用標(biāo)準(zhǔn)的“III型”網(wǎng)絡(luò)作為補償器。評估板可與420KHz - 500KHz的外部時鐘同步。

三、供電與負載注意事項

3.1 正確連接

在低輸入電壓下，評估板滿載時可吸取高達3.5A的電流，最大額定輸出電流為30A。連接電源和負載時，要選擇正確的連接器和線徑，同時監(jiān)測評估板的輸入輸出電流和輸出端電壓，因為負載連接線上的電壓降會影響測量準(zhǔn)確性，特別是在精確測量效率時。

3.2 電源要求

評估板可視為恒定功率負載，低輸入電壓（36V）時輸入電流可達3.5A，高輸入電壓（75V）時約為1.5A。因此，測試該評估板需要至少85V、5A的直流電源，電源需具備電壓和電流調(diào)節(jié)功能，且電源和電纜對評估板呈現(xiàn)低阻抗，否則開機時的浪涌電流會導(dǎo)致電壓下降，引發(fā)振蕩。

3.3 負載選擇

合適的電子負載應(yīng)能在最低1.0V下工作，最大負載電阻為0.11Ω。高輸出電流需要粗電纜，使用電阻組時要注意其功率和電流額定值要滿足30A、100W電源的要求，同時要隨時監(jiān)測電流和電壓，并確保負載有足夠的冷卻。

3.4 氣流要求

在評估板上提供指定的200 CFM氣流前，切勿進行滿功率加載，可配備獨立風(fēng)扇。

3.5 上電操作

使用ON/OFF引腳（J2）可在低電流水平下啟動電源，首次上電時負載應(yīng)保持較低。將電源的電流限制設(shè)置為負載功率的約1.5倍，斷開ON/OFF引腳與地（J1）的連接后，立即檢查輸出是否為3.3V。若電源的電流限制不足，會導(dǎo)致振蕩，影響評估板正常工作?？焖贆z查效率是確認評估板正常運行的最佳方法。

3.6 過流保護

評估板配置了打嗝式過流保護，輸出過載（約35A）時，會對軟啟動電容放電，禁用功率級，延遲后釋放軟啟動。軟啟動電容的關(guān)機、延遲和緩慢充電時間可保護評估板，特別是在短路時。

四、數(shù)字隔離器的應(yīng)用

評估板中共有四處跨越隔離邊界，包括電源變壓器、兩個同步MOSFET的反饋和控制。通常光耦合器用于反饋信號隔離，但對于同步MOSFET柵極驅(qū)動，大多數(shù)光耦合器速度太慢，快速光耦合器成本又高。傳統(tǒng)上常用柵極驅(qū)動變壓器進行隔離，但存在不能通過直流、有電壓時間乘積限制、需要復(fù)位以及突然關(guān)斷時會導(dǎo)致輸出電壓非單調(diào)衰減等問題。而數(shù)字隔離器是CMOS器件，使用RF耦合器跨隔離屏障傳輸數(shù)字信息，隔離能力高達2500 VRMS，與光耦合器類似，但傳播延遲更低，且無伏秒限制。

五、性能特性

5.1 啟動波形

給LM5035C評估板上電時，軟啟動電容和其他組件使輸出電壓在短時間內(nèi)保持最小，直到反饋環(huán)路穩(wěn)定且無過沖。以48V輸入、5A負載為例，啟動時無過沖。

5.2 輸出紋波波形

負載從15A變?yōu)?2.5A時，輸出電壓的瞬態(tài)響應(yīng)良好，輸出電壓的下降和過沖極小。在48V輸入、30A負載下，輸出端的典型輸出紋波如圖所示，該波形適用于大多數(shù)負載和輸入電壓情況。同時，還展示了不同輸入電壓和負載下Q1的漏極電壓以及同步整流器的柵極電壓波形。

六、應(yīng)用電路與物料清單

6.1 應(yīng)用電路

評估板的應(yīng)用電路輸入范圍為36 - 75V，輸出為3.3V、30A。

6.2 物料清單

詳細列出了評估板所需的各種元器件，包括控制器、驅(qū)動器、運放、參考放大器、光耦合器、數(shù)字隔離器、電容、電阻、二極管、MOSFET、電感、變壓器等，以及它們的型號、數(shù)量和參考設(shè)計編號。

七、PCB布局

文檔提供了評估板PCB的各層布局圖，包括頂層、底層以及6個內(nèi)層的布局，為工程師了解評估板的電路布局和布線提供了直觀的參考。

綜上所述，LM5035C評估板憑借其高效的半橋拓撲、豐富的保護功能和良好的性能表現(xiàn)，為電源轉(zhuǎn)換設(shè)計工程師提供了一個可靠的評估平臺。在實際應(yīng)用中，工程師需嚴(yán)格按照其供電和負載要求進行操作，充分發(fā)揮評估板的優(yōu)勢，設(shè)計出更優(yōu)質(zhì)的電源轉(zhuǎn)換方案。大家在使用過程中遇到過哪些類似評估板的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。