深入解析LM5010A降壓評估板：設(shè)計、原理與優(yōu)化策略

在電子工程領(lǐng)域，降壓調(diào)節(jié)器是電源管理中不可或缺的組件。今天，我們將深入探討德州儀器（TI）的LM5010A降壓評估板，了解其設(shè)計特點、工作原理以及如何優(yōu)化輸出性能。

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1. 評估板概述

LM5010AEVAL評估板為工程師提供了一個功能完備的降壓調(diào)節(jié)器，采用恒定導(dǎo)通時間（COT）工作原理。該評估板可在6V - 75V的輸入電壓范圍內(nèi)提供5V輸出，能提供高達(dá)1A的負(fù)載電流，電流限制設(shè)定約為1.3A。除R6和C9 - C11外，評估板已安裝所有外部組件，這些組件可用于降低輸出紋波。

主要規(guī)格

• 輸入電壓：6V - 75V
• 輸出電壓：5V
• 最大負(fù)載電流：1.0A
• 最小負(fù)載電流：0A
• 電流限制：1.3A
• 測量效率：94.75%（VIN = 6V，IOUT = 200 mA）
• 標(biāo)稱開關(guān)頻率：200 kHz
• 尺寸：2.25 in. x 0.88 in. x 0.47 in

2. 工作原理

評估板的原理圖包含了LM5010A的簡化框圖。當(dāng)電路處于調(diào)節(jié)狀態(tài)時，降壓開關(guān)在每個周期的導(dǎo)通時間由R1和VIN根據(jù)以下公式確定： [t{ON} = 1.18 times 10^{-10} times (R1 + 1.4k) div (V{IN} - 1.4V) + 67 ns]

導(dǎo)通時間從VIN = 6V時的約5000 ns到VIN = 75V時的約380 ns不等，且與VIN成反比，以保持近乎恒定的開關(guān)頻率。每個導(dǎo)通時間結(jié)束時，最小關(guān)斷定時器確保降壓開關(guān)至少關(guān)斷260 ns。在關(guān)斷期間，輸出電容（C7）由負(fù)載電流放電。當(dāng)輸出電壓下降到使FB引腳電壓低于2.5V時，調(diào)節(jié)比較器啟動新的導(dǎo)通時間周期。為了實現(xiàn)穩(wěn)定的固定頻率操作，F(xiàn)B引腳需要約25 mV的紋波來切換調(diào)節(jié)比較器。

3. 板布局與探測注意事項

在為評估板供電時，需要注意以下幾點：

• 當(dāng)在高輸入電壓和高負(fù)載電流下運(yùn)行時，需要強(qiáng)制空氣流動。
• 在高輸入電壓和高負(fù)載電流下運(yùn)行時，LM5010A和二極管D1會發(fā)熱。
• 在高輸入電壓下探測電路時要小心，以防止受傷和可能的電路損壞。
• 在最大負(fù)載電流（1A）下，連接負(fù)載的電線尺寸和長度很重要，要確保評估板和負(fù)載之間的電線沒有明顯的電壓降。

4. 板連接與啟動

輸入連接到J1連接器，負(fù)載通常連接到J3連接器的OUT1和GND端子。確保電線尺寸適合預(yù)期的負(fù)載電流。啟動前，應(yīng)將電壓表連接到輸入和輸出端子，用電流表或電流探頭監(jiān)測負(fù)載電流。建議將輸入電壓逐漸增加到6V，此時輸出電壓應(yīng)為5V。如果輸入電壓為6V時輸出電壓正確，則可根據(jù)需要增加輸入電壓并繼續(xù)評估電路。

5. 降低輸出紋波

LM5010A在FB引腳需要至少25 mVp - p的紋波，且與SW引腳的開關(guān)波形同相，以確保正常工作。在器件特定數(shù)據(jù)手冊中的基本應(yīng)用電路中，未包含C8。FB引腳所需的紋波來自VOUT1的紋波，該紋波由電感器的紋波電流通過R4和電容C7的ESR產(chǎn)生。由于VOUT1的紋波電壓被R2/R3反饋分壓器衰減，因此VOUT1需要至少50 mVp - p的紋波。

5.1 選項A：紋波降低

評估板配備了C8，R4 = 0.68Ω，由于C8將輸出紋波直接耦合到FB而不衰減，因此在VOUT1處提供相對較低的紋波輸出。當(dāng)Vin在其范圍內(nèi)變化時，VOUT1的紋波幅度范圍為30mVp - p到170 mVp - p。C8的最小值由以下公式計算： [C8 = frac{t{ON(max)}(R2//R3)}{V{IN} - 1.4V}] 對于該評估板，tON(max)約為5000 ns，R2//R3 = 500Ω，因此C8的最小值為0.01 μF。

5.2 選項B：紋波降低

添加R6、C9、C10，將R4替換為零歐姆，并使C8和C11位置空置。由于SW引腳在-1V到VIN之間切換，且C9的右端為虛擬接地，因此選擇R6和C9在它們的結(jié)點處產(chǎn)生30 - 40 mVp - p的三角波。該三角波通過C10耦合到FB引腳。計算R6、C9和C10的值的步驟如下：

1. 計算電壓VA： [VA = V{OUT} - (V{SW} times (1 - (V{OUT}/V_{IN})))] 其中，VSW是關(guān)斷期間SW引腳電壓的絕對值（通常為1V），Vin是最小輸入電壓。對于該電路，VA計算為4.83V。
2. 計算R6?C9乘積： [R6 cdot C9 = frac{(V_{IN} - VA) times t{ON}}{Delta V}] 其中，tON是最小Vin時的導(dǎo)通時間（約5 μs），ΔV是R6/C9結(jié)點處所需的紋波幅度，本例中為30mV。
3. 從標(biāo)準(zhǔn)值組件中選擇R6和C9以滿足上述乘積。例如，C9可以為1000 pF，此時R6需要為195 kΩ。C10選擇為0.01 μF，比C9大。R2和R3增加到5 kΩ以減少通過C10提供的信號的負(fù)載。

5.3 選項C：紋波降低

將負(fù)載連接到VOUT2（保留R4）。該輸出的紋波在輸入電壓范圍內(nèi)從約3 mVp - p到約7.5 mVp - p不等。然而，由于R4的存在，VOUT2的負(fù)載調(diào)節(jié)不如VOUT1好。此選項適用于負(fù)載電流相對恒定的應(yīng)用。

6. 增加電流限制

評估板的電流限制在負(fù)載電流約為1.3A時激活。如果需要為特定應(yīng)用增加電流限制，必須在板上添加R5。要確定該電阻的合適值，請參考LM5010A、LM5010A - Q1高壓1A降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器數(shù)據(jù)手冊（SNVS376）。

7. 最小負(fù)載電流

LM5010A需要至少約500 μA的最小負(fù)載電流，以確保升壓電容（C6）在每個關(guān)斷期間得到充分充電。在該評估板中，最小負(fù)載電流由反饋電阻（R2，R3）提供，因此評估板在OUT1（或OUT2）處的最小負(fù)載電流可以指定為零。

總結(jié)

LM5010A降壓評估板為工程師提供了一個靈活的平臺，可用于評估和設(shè)計降壓調(diào)節(jié)器電路。通過了解其工作原理和優(yōu)化策略，工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求調(diào)整電路參數(shù)，以實現(xiàn)最佳的性能和效率。在實際應(yīng)用中，你會選擇哪種降低紋波的方法呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。