探索Altera Enpirion EN5364QI 6A DCDC轉(zhuǎn)換器評估板

引言

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源模塊的性能和集成度至關(guān)重要。Altera Enpirion的EN5364QI 6A DCDC轉(zhuǎn)換器評估板為工程師提供了一個便捷的平臺，用于評估和開發(fā)電源解決方案。本文將深入介紹這款評估板的特點、功能以及使用方法，希望能為電子工程師們在電源設(shè)計方面提供有價值的參考。

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評估板概述

高度集成設(shè)計

EN5364QI評估板集成了電感器、功率MOSFET、控制器、補償網(wǎng)絡(luò)和保護電路等，大大減少了電路板的占用空間和元件數(shù)量。這種高度集成的設(shè)計使得電源模塊更加緊湊，適用于對空間要求較高的應(yīng)用場景。不過，評估板的設(shè)計更側(cè)重于方便工程師進行評估，通過編程選項、夾線和測試點等方式，讓工程師能夠更輕松地進行各項測試。

豐富的功能特性

1. 電壓裕量調(diào)節(jié)（Margining）：通過數(shù)字控制，利用三元引腳MAR[1:2]可以將輸出電壓在標稱值的基礎(chǔ)上進行±2.5%、±5%或±10%的調(diào)整。這一功能對于系統(tǒng)的魯棒性驗證和可靠性研究非常有價值。需要注意的是，電源正常信號（POK）會隨著裕量調(diào)節(jié)自動縮放。
2. 鎖相功能（Phase Lock）：將外部時鐘源連接到引腳S_IN，可使內(nèi)部開關(guān)頻率與外部時鐘源（或另一個EN5364QI）實現(xiàn)鎖相。這有助于避免系統(tǒng)采樣時鐘和DC/DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率之間的拍頻干擾所需信號頻段。
3. 延遲功能（Delay）：引腳S_OUT可輸出內(nèi)部開關(guān)時鐘（或PWM信號）的延遲版本，并且可以通過連接在引腳S_delay和AGND之間的單個電阻來編程延遲時間。當系統(tǒng)板上使用多個EN5364QI設(shè)備時，這一功能可以控制輸入紋波。
4. 預(yù)偏置操作（Pre - bias operation）：當啟用預(yù)偏置功能（通過跳線設(shè)置）時，設(shè)備會在使能信號的控制下，將輸出電壓從預(yù)偏置電壓單調(diào)上升到編程的輸出電壓水平。預(yù)偏置（回饋）電壓可以通過二極管耦合到輸出端，評估板上已經(jīng)安裝了相應(yīng)的二極管（D2）。
5. 并行模式操作（Parallel Mode operation）：當需要大于6A的負載電流時，最多可以將4個EN5364QI設(shè)備并行運行。在并行模式下，一個設(shè)備作為主設(shè)備，最多3個設(shè)備作為從設(shè)備，由主設(shè)備控制。主設(shè)備的PWM輸出連接到從設(shè)備，通過菊花鏈連接從設(shè)備可以實現(xiàn)更多設(shè)備的并行運行，但實際應(yīng)用中，電路板布局等因素會限制從設(shè)備的數(shù)量為3個。
6. 軟啟動功能（Soft - Start）：評估板上安裝了一個15nF（C11）的軟啟動電容，輸出電壓的上升時間約為1ms。如果需要不同的上升時間，可以更換不同值的電容。為了限制浪涌電流，電容值應(yīng)大于4.7nF，輸出電壓上升時間約為(65k*C_{ss})。

輸出電壓編程與補償

輸出電壓設(shè)置

EN5364QI可以通過電阻分壓器實現(xiàn)客戶可編程輸出電壓。評估板出廠時配備了一個(R{A})、一個(C{A})和四個可能的(R{B})電阻。通過跳線選擇4個(R{B})電阻中的一個，可以產(chǎn)生0.804V、0.998V、1.2V或1.8V的電壓。如果需要更高的輸出電壓，可以在多個(R_{B})跳線位置安裝電阻。具體的編程方法可以參考評估板原理圖中的“VOUT Programming”部分。

補償網(wǎng)絡(luò)

評估板內(nèi)部集成了大部分補償網(wǎng)絡(luò)，但反饋部分需要一個外部相位超前（零點）電容。適當?shù)脑悼梢詾榻o定的輸入電壓和環(huán)路帶寬選擇提供最佳補償。原理圖中的方程提供了計算元件值的詳細信息。

引腳功能與操作

三元輸入信號

MAR1和MAR2是三元輸入信號，引腳可以處于低電平（接地）、高電平（連接到(V{IN})）或浮空狀態(tài)。表1顯示了裕量調(diào)節(jié)的真值表，根據(jù)不同的狀態(tài)組合，輸出電壓可以是標稱值或在標稱值基礎(chǔ)上進行±2.5%、±5%或±10%的調(diào)整。其中7種狀態(tài)用于裕量調(diào)節(jié)，另外兩種狀態(tài)保留用于診斷。如果將MAR[1,2]連接到(V{IN})，建議使用串聯(lián)電阻以減少引腳輸入電流。

時鐘同步與延遲

評估板上為S_IN提供了一個SMC連接器（未安裝），可以將3.6 - 4.4MHz的時鐘源應(yīng)用于S_IN，使設(shè)備的開關(guān)頻率與外部源同步。S_OUT將輸出一個與開關(guān)頻率同步的時鐘信號，并帶有一定的相位延遲。一個EN5364QI的S_OUT可以連接到另一個EN5364QI的S_IN，實現(xiàn)不同的操作模式。相位延遲可以通過連接從S_delay到AGND的電阻來設(shè)置，延遲時間大約為(Delay (nsec) = 2* [S_delay resistance in kΩ])。例如，評估板上安裝的49.9kΩ電阻可以將時鐘信號延遲約100nsec。

跳線設(shè)置

評估板上提供了跳線，方便對以下信號進行邏輯高/低編程：使能信號（Enable）、預(yù)偏置使能信號（Pre - bias Enable）、MAR1和MAR2裕量調(diào)節(jié)三元輸入信號以及主/從三元輸入信號。使能信號也可以通過移除跳線并將使能信號應(yīng)用于中間引腳和地來使用外部開關(guān)源進行控制。此外，還提供了跳線用于選擇4種可能的輸出電壓之一。

快速啟動指南

操作步驟

1. 設(shè)置跳線：將“ENA”和“ENA_PB”跳線設(shè)置為禁用位置，選擇MAR1、MAR2和M/S為浮空狀態(tài)（不安裝跳線）。
2. 選擇輸出電壓：根據(jù)需要設(shè)置輸出電壓選擇跳線，如圖4所示，從左到右的輸出電壓分別為0.804V、0.998V、1.2V和1.0V。通過在多個J13跳線位置安裝電阻，可以獲得更高的輸出電壓。需要注意的是，除了ENA跳線外，在EN5364QI啟用時，不能更改J1和J13的其他跳線，否則可能會損壞元件。
3. 連接電源：將電源連接到輸入電源連接器VIN (+)和GND (-)，并將電源設(shè)置為所需的電壓。評估板的補償元件已針對5V輸入電壓進行了優(yōu)化，如果需要優(yōu)化其他輸入電壓，可以使用原理圖中的方程計算新的(R{A})、(C{A})和(R_{B})值。同時，要注意輸入極性，盡管評估板帶有反極性保護二極管，但盡量避免反接輸入極性。
4. 連接負載：將負載連接到輸出連接器VOUT (+)和GND (-)。
5. 上電操作：給評估板上電，并將ENA跳線移動到啟用位置。此時，EN5364QI已上電并產(chǎn)生所需的輸出?？梢赃M行效率、紋波、線路/負載調(diào)節(jié)、負載瞬態(tài)、電源正常、過流限制和溫度相關(guān)的測量，也可以在S_OUT觀察延遲的開關(guān)時鐘。
6. 電壓裕量調(diào)節(jié)（Margining）：通過移動ENA跳線禁用設(shè)備，根據(jù)表1設(shè)置MAR - 1和MAR - 2跳線到所需的電壓偏移量（百分比），然后重新啟用設(shè)備并繼續(xù)進行步驟5的操作。
7. 鎖相操作（Phase Lock）：通過移動ENA跳線禁用設(shè)備并斷電，將脈沖發(fā)生器（正確端接且輸出禁用）信號連接在S_IN和GND之間，設(shè)置脈沖幅度為0 - 2.5V，脈沖頻率為4MHz，連接示波器探頭到S_IN和S_OUT，給設(shè)備上電并啟用設(shè)備。觀察S_OUT的自由運行開關(guān)頻率，然后啟用脈沖發(fā)生器輸出，S_OUT應(yīng)與S_IN鎖定并帶有固定的延遲（取決于S_Delay電阻的值）。在3.6 - 4.4MHz之間掃描時鐘頻率，記錄兩端的鎖定范圍。在更改板級元件之前，務(wù)必先給設(shè)備斷電。
8. 預(yù)偏置操作（Pre - Bias Operation）：移除使能跳線禁用設(shè)備并斷電，將EN_PB跳線設(shè)置為邏輯“1”，將脈沖發(fā)生器（輸出禁用）信號連接到ENA的中間引腳和地，設(shè)置脈沖幅度為0 - 2.5V，脈沖周期為10msec，占空比為50%，快速過渡時間(<1usec)，連接示波器探頭到ENA、SS、POK和VOUT并確保接地良好。將電源（設(shè)置所需電壓但輸出禁用）連接到TP18（BF_IN），打開回饋電源，VOUT將充電到BF_IN減去一個二極管壓降。將輸出電壓設(shè)置為大于回饋電壓的水平，啟用脈沖發(fā)生器輸出，觀察輸出電壓和SS電壓與使能脈沖的關(guān)系。在始終小于VOUT的情況下上下掃描回饋電壓，觀察設(shè)備的運行情況。

測試建議

測量準確性

為了保證測量準確性，需要注意以下幾點：

1. 使用評估板上提供的測試點進行所有輸入和輸出電壓測量，以消除線路和負載電纜上的電壓降，避免產(chǎn)生錯誤讀數(shù)。
2. 使用串聯(lián)電流表或精確的分流電阻測量輸入和輸出電流，這在測量效率時尤為重要。
3. 使用低環(huán)路電感探頭測量開關(guān)信號，以避免噪聲耦合到探頭接地線上。J10是測量輸出紋波和負載瞬態(tài)偏差的方便點，如需更精確的紋波測量，請參考Enpirion的輸出紋波測量應(yīng)用筆記（www.altera.com/enpirion）。
4. 評估板為POK信號提供了一個10k上拉電阻，可隨時監(jiān)測電源正常狀態(tài)。
5. 板上安裝了一個15nF的軟啟動電容，實現(xiàn)約1msec的軟啟動時間。
6. 如果計劃對該評估板進行任何特殊的EMI或噪聲測量，請咨詢Altera電源應(yīng)用支持。

輸入和輸出電容

EN5364QI的輸入電容要求在20 - 50uF之間，電壓額定值應(yīng)足夠高，以滿足應(yīng)用的需求。評估板上安裝了2個22uF、1206、X5R電容。輸出電容在電壓感應(yīng)點的要求約為50uF，板上安裝了一個47uF、1206、X5R和一個10uF、0805、X7R電容。需要注意的是，電容必須采用X5R或X7R介電配方，以確保在工作電壓和溫度范圍內(nèi)具有足夠的電容值。

總結(jié)

Altera Enpirion的EN5364QI 6A DCDC轉(zhuǎn)換器評估板為工程師提供了一個功能強大、易于使用的平臺，用于評估和開發(fā)電源解決方案。其高度集成的設(shè)計、豐富的功能特性以及詳細的操作指南，使得工程師能夠快速上手并進行各種測試和驗證。在實際應(yīng)用中，工程師可以根據(jù)具體需求對輸出電壓、補償網(wǎng)絡(luò)等進行調(diào)整，以滿足不同的系統(tǒng)要求。同時，遵循測試建議和注意事項，可以確保測量結(jié)果的準確性和設(shè)備的正常運行。你在使用這款評估板的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。