AN - 1345 LM5025A評估板：高效電源轉(zhuǎn)換的實(shí)踐探索

在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一款性能優(yōu)良的評估板能為工程師提供極大的便利，幫助他們快速評估和驗(yàn)證電源控制器的性能。今天我們就來深入探討一下TI的AN - 1345 LM5025A評估板。

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評估板概述

LM5025A評估板是為設(shè)計(jì)工程師打造的，它基于有源鉗位正激拓?fù)?，提供了一個(gè)全功能的電源轉(zhuǎn)換器，可用于評估LM5025A控制器。該評估板采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的半磚尺寸，方便集成到各類設(shè)計(jì)中。

其性能參數(shù)非常出色：

• 輸入范圍：36V至78V（峰值100V），能適應(yīng)較寬的電源輸入。
• 輸出電壓：穩(wěn)定輸出3.3V。
• 輸出電流：0至30A的可調(diào)范圍，可滿足不同負(fù)載需求。
• 效率表現(xiàn)：30A時(shí)效率為90.5%，15A時(shí)可達(dá)92.5%，展現(xiàn)出較高的能源轉(zhuǎn)換效率。
• 工作頻率：230kHz。
• 板尺寸：2.3 x 2.4 x 0.5英寸，較為緊湊。
• 負(fù)載調(diào)整率：1%，能有效保證輸出電壓的穩(wěn)定。
• 線性調(diào)整率：0.1%，對輸入電壓變化的適應(yīng)性強(qiáng)。
• 具備功能：還具備線路欠壓鎖定（Line UVLO）和打嗝電流限制（Hiccup Current Limit）功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

評估板的印刷電路板由4層3盎司銅的FR4材料組成，總厚度為0.050英寸。部分區(qū)域省略了阻焊層，以利于散熱。該評估板設(shè)計(jì)為在低于40°C的環(huán)境溫度和最小200CFM的氣流下，連續(xù)額定負(fù)載運(yùn)行。

工作原理剖析

正激拓?fù)浠A(chǔ)

基于正激拓?fù)涞碾娫?a target="_blank">轉(zhuǎn)換器在高達(dá)數(shù)百瓦的應(yīng)用中，具有高效率和良好的功率處理能力。但正激拓?fù)涞淖儔浩髟诿總€(gè)功率開關(guān)周期不會自動復(fù)位，因此需要一個(gè)復(fù)位機(jī)制。有源鉗位復(fù)位機(jī)制目前在50至200W的中功率轉(zhuǎn)換器中得到了廣泛應(yīng)用。

正激轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)

正激轉(zhuǎn)換器源自降壓拓?fù)浼易?，采用單個(gè)調(diào)制功率開關(guān)。與其他拓?fù)涞闹饕獏^(qū)別在于，正激拓?fù)涫褂米儔浩鱽硖峁┹斎?輸出接地隔離以及降壓或升壓功能。

工作循環(huán)解析

在每個(gè)周期中，主初級開關(guān)導(dǎo)通，將輸入電壓施加到具有12匝的初級繞組上。變壓器次級有2匝，實(shí)現(xiàn)了6:1的輸入電壓降壓。對于3.3V的輸出電壓，主開關(guān)的所需占空比（D）必須從大約60%（低輸入線電壓）變化到25%（高輸入線電壓）。當(dāng)主開關(guān)關(guān)閉時(shí)，鉗位電容和復(fù)位開關(guān)在每個(gè)周期反向偏置變壓器初級，這個(gè)反向電壓使變壓器復(fù)位，鉗位電容電壓為Vin / (1 - D)。

次級整流方式

次級整流采用自驅(qū)動同步整流，以保持高效率和易于驅(qū)動。輸出反饋通過放大器和參考進(jìn)行處理，生成誤差電壓，該誤差電壓通過光耦合器反饋到初級側(cè)控制。LM5025A電壓模式控制器用從輸入電壓導(dǎo)出的斜坡信號對誤差信號進(jìn)行脈寬調(diào)制，從輸入電壓導(dǎo)出斜坡信號斜率可提供線路前饋，從而提高線路瞬態(tài)抑制能力。此外，LM5025A還為復(fù)位開關(guān)提供必要的受控延遲。

供電與負(fù)載注意事項(xiàng)

同步與連接

評估板可以與推薦頻率范圍為190至300KHz的外部時(shí)鐘同步。在連接電源和負(fù)載時(shí)，需要特別注意。當(dāng)在低輸入電壓下運(yùn)行時(shí)，被測單元（UUT）在滿載時(shí)可吸取高達(dá)3.5A的電流，評估板的最大額定輸出電流為30A。因此，在連接電源和負(fù)載時(shí)，要確保選擇正確的連接器和電線尺寸。同時(shí)，需要監(jiān)測進(jìn)入和流出被測單元的電流，以及直接在被測單元輸出端子處的電壓，因?yàn)樨?fù)載連接線上的電壓降會導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確，這在精確測量效率時(shí)尤為重要。

電源要求

評估板可視為恒定功率負(fù)載。在低輸入線電壓（35V）時(shí)，輸入電流可達(dá)3.5A，而在高輸入線電壓（78V）時(shí)，輸入電流約為1.5A。因此，為了全面測試LM5025A評估板，需要一個(gè)能夠提供至少80V和4A的直流電源，并且該電源必須具備電壓和電流調(diào)節(jié)功能。由于電流不像電壓那樣會在電纜中產(chǎn)生損耗，所以準(zhǔn)確讀取輸出電流是很有必要的。此外，電源和電纜必須對被測單元呈現(xiàn)低阻抗，否則在電源施加時(shí)，由于被測單元的浪涌電流，不足的電纜或高阻抗電源會導(dǎo)致電壓下降，可能引發(fā)啟動時(shí)的抖動現(xiàn)象，這是被測單元欠壓鎖定、電纜阻抗和浪涌電流相互作用的結(jié)果。

負(fù)載選擇

建議使用能夠在最低3.0V下正常工作的合適電子負(fù)載，最大負(fù)載電阻為0.11Ω，并且需要使用粗電纜。如果使用電阻器組，則需要注意其瓦數(shù)和電流額定值必須能夠滿足30A、100W電源的要求，同時(shí)要隨時(shí)監(jiān)測電流和電壓。即使是額定值足夠的電阻器，也可能會達(dá)到很高的溫度，從而導(dǎo)致燙傷或燒壞工作臺。

氣流要求

在沒有提供規(guī)定的200CFM的氣流通過評估板時(shí)，切勿嘗試達(dá)到額定功率。可以使用獨(dú)立風(fēng)扇來提供氣流。

上電步驟

使用提供的關(guān)斷引腳可以在低電流水平下啟動電源。建議在首次上電時(shí)保持較低的負(fù)載，并將電源的電流限制設(shè)置為約為負(fù)載功率的1.5倍。當(dāng)斷開關(guān)斷引腳與接地的連接時(shí)，應(yīng)立即檢查輸出是否為3.3V。常見的問題是，當(dāng)電源設(shè)置的電流限制不足以滿足負(fù)載要求時(shí)，會出現(xiàn)類似于高電源阻抗的情況，電源的折返和被測單元進(jìn)入欠壓關(guān)斷的相互作用會引發(fā)振蕩或抖動，可能導(dǎo)致不良后果?？焖龠M(jìn)行效率檢查是確認(rèn)一切正常運(yùn)行的最佳方法，因?yàn)?a target="_blank">開關(guān)電源中很少有參數(shù)錯(cuò)誤而不產(chǎn)生損耗和潛在破壞性熱量的情況。

過流保護(hù)

評估板配置了延遲打嗝式過流保護(hù)。當(dāng)輸出過載（約33A）時(shí)，單元將對軟啟動電容器放電，從而禁用功率級。經(jīng)過一段時(shí)間的延遲后，軟啟動將被釋放。軟啟動電容器的關(guān)斷、延遲和緩慢充電時(shí)間可以保護(hù)單元，特別是在短路事件中，此時(shí)應(yīng)力最高。

性能特性展示

啟動波形

在給LM5025A評估板上電時(shí)，會按照一定的順序發(fā)生一系列事件。軟啟動電容器的值和其他組件允許反饋回路穩(wěn)定而不會產(chǎn)生過沖。圖3顯示了在48V輸入和5A負(fù)載的典型啟動過程中，輸出電壓沒有出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。

輸出紋波波形

圖4展示了負(fù)載從5A變?yōu)?5A時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)，上軌跡顯示了輸出電壓在輸出電流突然變化時(shí)的下降和過沖情況，下軌跡顯示了輸出電流的變化。圖5顯示了在48V輸入電壓和30A負(fù)載下，直接在輸出電容器兩端觀察到的典型輸出紋波，該波形適用于大多數(shù)負(fù)載和輸入電壓情況。圖6和圖7分別顯示了在25A負(fù)載下，輸入電壓為38V和78V時(shí)Q1的漏極電壓。圖8展示了同步整流器的柵極電壓，主功率變壓器的驅(qū)動在導(dǎo)通時(shí)通過電阻與柵極電容的相互作用稍有延遲，這為了實(shí)現(xiàn)最佳效率而改善了開關(guān)過渡，驅(qū)動電壓的差異是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固有的，并且會隨線路電壓而變化。

應(yīng)用電路與布局

應(yīng)用電路

評估板的應(yīng)用電路適用于輸入36至78V，輸出3.3V、30A的場景。

物料清單

文檔中提供了詳細(xì)的物料清單，包括電容器、電感器、場效應(yīng)管、電阻器、變壓器、控制器、光耦合器、運(yùn)算放大器和參考電壓源等組件的設(shè)計(jì)編號、數(shù)量、零件編號、描述和值。例如，電容器的電容值范圍從220pF到330μF，耐壓值從50V到1000V不等；電阻器的阻值從10Ω到30.1KΩ，功率從普通到1W；變壓器有不同的匝數(shù)比等。這些組件的合理選擇和搭配，共同構(gòu)成了評估板的優(yōu)良性能。

PCB布局

文檔中還給出了多張PCB布局圖，分別從不同角度和層面展示了評估板的設(shè)計(jì)，雖然文檔中未詳細(xì)描述布局特點(diǎn)，但合理的PCB布局對于電源的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要，如元件的擺放、布線的走向和間距等都會影響到電源的效率、電磁兼容性等指標(biāo)。

重要聲明

德州儀器（TI）保留對其半導(dǎo)體產(chǎn)品和服務(wù)進(jìn)行修正、改進(jìn)和其他更改的權(quán)利，并可根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)停止任何產(chǎn)品或服務(wù)。購買者應(yīng)在下單前獲取最新相關(guān)信息，并確認(rèn)信息的時(shí)效性和完整性。TI對其組件的性能做出保證，但測試和質(zhì)量控制技術(shù)僅在其認(rèn)為必要的范圍內(nèi)使用，并非對每個(gè)組件的所有參數(shù)都進(jìn)行測試。TI不承擔(dān)應(yīng)用協(xié)助或買方產(chǎn)品設(shè)計(jì)的責(zé)任，買方負(fù)責(zé)其使用TI組件的產(chǎn)品和應(yīng)用，應(yīng)提供適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和操作保障。TI也不保證或代表授予任何專利、版權(quán)等知識產(chǎn)權(quán)相關(guān)的許可，使用相關(guān)信息可能需要第三方或TI的許可。此外，對TI信息的復(fù)制必須保持不變，并附帶所有相關(guān)的保證、條件、限制和通知。對于未專門指定用于特定應(yīng)用（如醫(yī)療、軍事、汽車等）的TI組件，TI有明確的責(zé)任聲明和使用限制。

通過對LM5025A評估板的詳細(xì)了解，我們可以看到它在電源轉(zhuǎn)換方面的優(yōu)秀性能和設(shè)計(jì)特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們需要根據(jù)具體的需求和場景，合理使用評估板，并嚴(yán)格遵循相關(guān)的注意事項(xiàng)和操作規(guī)范，以確保電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。大家在使用類似評估板時(shí)，有沒有遇到過一些特別的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。