深入剖析LM5009A評估板：從原理到應用

在電子設計領域，一款優(yōu)秀的評估板能為工程師的設計工作提供極大的便利。今天，我們就來深入探討TI的LM5009A評估板，它基于恒定導通時間（COT）工作原理，是一款功能完備的降壓調節(jié)器評估板。

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1. 評估板概述

1.1 基本參數(shù)

LM5009A評估板可在8V - 75V的輸入電壓范圍內提供5V的輸出電壓，最大負載電流為150 mA，電流限制標稱值為260 mA。在輸入電壓為8V、輸出電流為100 mA時，測量效率可達90.6%，標稱開關頻率為130 kHz，尺寸為2.6英寸 x 1.6英寸。這些參數(shù)為工程師在實際應用中提供了明確的參考。

1.2 工作原理

當電路處于調節(jié)狀態(tài)時，降壓開關每個周期的導通時間由R1和輸入電壓VIN決定，公式為：$t{ON} = frac{V{IN}}{1.385 times 10^{-10} times R1}$。導通時間范圍從輸入電壓為8V時的約4.85 μs到75V時的約517 ns，且導通時間與VIN成反比，以保持近乎恒定的開關頻率。每個導通時間結束后，最小關斷定時器確保降壓開關至少關斷300 ns。在關斷期間，負載電流由輸出電容C2提供。當輸出電壓下降到使FB引腳電壓低于2.5V時，調節(jié)比較器啟動新的導通時間周期。為了實現(xiàn)穩(wěn)定的固定頻率操作，F(xiàn)B引腳需要至少25 mV的紋波來切換調節(jié)比較器。

2. 評估板使用要點

2.1 布局與探測注意事項

• 當評估板在高輸入電壓和高負載電流下工作時，可能需要強制空氣流動來散熱。
• 高輸入電壓和高負載電流時，LM5009A和二極管D1可能會發(fā)熱，觸摸時需小心。
• 在高輸入電壓下探測電路時要格外小心，防止受傷和電路損壞。
• 在最大負載電流下，連接負載的電線尺寸和長度很重要，要確保評估板與負載之間的電線沒有明顯的電壓降。

2.2 連接與啟動

輸入連接到J1連接器，負載連接到J2（OUT）和J3（GND）端子。啟動前，應在輸入和輸出端子連接電壓表，用電流表或電流探頭監(jiān)測負載電流。建議將輸入電壓逐漸增加到8V，此時輸出電壓應為5V。若輸出電壓正確，可按需增加輸入電壓，但不要超過75V。

3. 輸出紋波控制

LM5009A的FB引腳需要至少25 mVp - p的紋波，且與SW引腳的開關波形同相才能正常工作。以下是三種不同的紋波控制方案：

3.1 低成本配置（Option A）

在這種配置中，R5與輸出電容C2串聯(lián)。由于FB引腳需要至少25 mVp - p的紋波，已知電路中最小輸入電壓下的最小紋波電流約為44 mAp - p，選擇1.2Ω的R5，在輸入電壓范圍內，輸出電壓的紋波范圍約為53 mVp - p到132 mVp - p。如果應用能接受這個紋波水平，這是最經(jīng)濟的解決方案。

3.2 中等紋波配置（Option B）

通過在R3兩端添加一個電容Cff，這種配置比Option A產生的輸出紋波更小。由于輸出紋波通過Cff幾乎無衰減地傳遞到FB引腳，R5可以減小，使輸出電壓的最小紋波約為25 mVp - p。Cff的最小值可根據(jù)公式$C{ff} geq frac{3 times t{ON(max)}}{(R3 // R4)}$計算，其中$t_{ON(max)}$是最大導通時間（在最小輸入電壓時），R3 // R4是反饋電阻的并聯(lián)等效值。在輸入電壓范圍內，輸出電壓的紋波范圍為26 mVp - p到66 mVp - p。

3.3 最小紋波配置（Option C）

為了獲得最小的輸出紋波，將R5設置為0Ω，并添加RA、CA和CB來為FB引腳產生所需的紋波。輸出紋波主要由輸出電容的特性和電感器的紋波電流決定。通過以下步驟計算RA、CA和CB的值：

• 計算電壓VA：$VA = V{OUT} - (V{SW} times (1 - (V{OUT} / V_{IN})))$，其中VSW是關斷期間SW引腳電壓的絕對值（通常為0.6V），VIN是最小輸入電壓。對于該電路，VA計算為4.78V。
• 計算RA x CA的乘積：$RA times CA = frac{(V_{IN} pm VA) times t{ON}}{Delta V}$，其中$t_{ON}$是最大導通時間（約4.85 μs），VIN是最小輸入電壓，ΔV是RA/CA結點所需的紋波幅度（本例為50 mVp - p）。然后從標準值組件中選擇RA和CA以滿足上述乘積，通常CA為3000 - 10000 pF，RA為10 kΩ - 300 kΩ。CB選擇比CA大，通常為0.1 μF。輸出電壓的紋波通常小于10 mVp - p。

4. 電流限制關斷時間

當檢測到電流限制時，導通時間周期立即終止，LM5009A強制的關斷時間必須大于最大正常關斷時間（在最大輸入電壓時出現(xiàn)）。較長的關斷時間是為了使電感器電流至少降低到與導致電流限制檢測的導通期間電流增加量相同，甚至更多。強制關斷時間由RCL引腳的電阻R2決定，計算公式為$T{OFF} = frac{10^{-5}}{0.285 + (V{FB} / (6.35 times 10^{-6} times R2))}$，其中VFB是電流限制檢測時FB引腳的電壓。在該評估板中，最大正常關斷時間約為7.2 μs（在75V時），考慮到導通時間的25%公差，關斷時間公差也為25%，最大可能關斷時間為9 μs?？紤]到電流限制檢測電路的響應時間（350 ns），最大關斷時間增加到9.35 μs，再增加25%到11.7 μs以考慮上述公式的公差。在VFB = 2.5V時，計算得出R2為691 kΩ，實際使用標準值715 kΩ電阻。

5. 監(jiān)測與測量

5.1 電感電流監(jiān)測

可以使用電流探頭在示波器上監(jiān)測或查看電感器的電流。移除R6，并在R6所在的兩個大焊盤上安裝一個合適的電流環(huán)，這樣可以準確確定電感器的紋波電流和峰值電流。

5.2 示波器探頭適配器

評估板提供了示波器探頭適配器，用于監(jiān)測SW引腳和電路輸出（VOUT）的波形，無需使用探頭的接地引線，可避免拾取開關波形的噪聲。探頭適配器適用于Tektronix P6137或類似直徑為0.135英寸的探頭。

6. 電路性能與波形

評估板還給出了效率與負載電流、輸入電壓的關系曲線，輸出電壓紋波、開關頻率與輸入電壓的關系曲線，電流限制與輸入電壓的關系曲線，以及線路調節(jié)和負載調節(jié)曲線等。同時，展示了連續(xù)導通模式和不連續(xù)導通模式下的典型波形，這些數(shù)據(jù)和波形能幫助工程師更好地了解評估板的性能。

7. 總結

LM5009A評估板為工程師提供了一個方便的平臺來評估和設計基于恒定導通時間原理的降壓調節(jié)器電路。通過合理選擇紋波控制方案、設置電流限制關斷時間等，可以滿足不同應用場景的需求。在使用過程中，要注意布局、連接和散熱等問題，以確保電路的穩(wěn)定運行。你在使用類似評估板時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。