探索LM5165EVM - HD - P50A EVM：高性能同步降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器評估模塊

在電子工程師的日常工作中，評估模塊（EVM）是驗證和測試新器件性能的重要工具。今天，我們就來深入了解一下德州儀器（TI）的LM5165EVM - HD - P50A EVM，看看它在同步降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域能帶來哪些驚喜。

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一、EVM概述

LM5165EVM - HD - P50A是一款高密度評估模塊，專為展示LM5165高性能、超小型同步降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器而設(shè)計。它具有超低的無負(fù)載電源電流，模塊式設(shè)計采用了微型封裝，元件數(shù)量少。其輸入電壓范圍為3V至65V，可提供可調(diào)的5V輸出，設(shè)定點精度優(yōu)于2%。當(dāng)輸入電壓低于輸出電壓設(shè)定點時，通過高端MOSFET的100%占空比導(dǎo)通，可實現(xiàn)低壓差性能。憑借LM5165的脈沖頻率調(diào)制（PFM）控制方案和二極管仿真，在24V輸入時，無負(fù)載電源電流僅為12μA。

二、典型應(yīng)用場景

1. 4 - 20 mA電流環(huán)供電傳感器：在工業(yè)自動化中，這類傳感器需要穩(wěn)定的電源供應(yīng)，LM5165EVM - HD - P50A的寬輸入電壓范圍和高效性能能夠滿足其需求。
2. 高壓LDO替代：對于需要高壓輸入并轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定低壓輸出的應(yīng)用，該評估模塊是一個不錯的選擇。
3. 過程控制：在工業(yè)過程控制中，對電源的穩(wěn)定性和精度要求較高，LM5165EVM - HD - P50A可以提供可靠的電源支持。
4. 樓宇自動化和HVAC：在這些系統(tǒng)中，需要多個不同電壓的電源，該評估模塊的可調(diào)輸出電壓特性能夠滿足多樣化的需求。
5. 通用偏置電源：為各種電子設(shè)備提供穩(wěn)定的偏置電壓。
6. 汽車和電池供電設(shè)備：具備AEC - Q100 Q1級汽車認(rèn)證，可在 - 40°C至 + 150°C的結(jié)溫范圍內(nèi)工作，適用于汽車電子和電池供電設(shè)備。

三、特性與電氣性能

1. 輸出電壓調(diào)節(jié)

輸出電壓為5V，可在1.23V至輸入電壓之間調(diào)節(jié)，并且在寬負(fù)載電流范圍內(nèi)具有超高的功率轉(zhuǎn)換效率。在輸出電壓為5V、負(fù)載電流大于1mA（輸入電壓12V）時，效率超過90%。

2. 輸入電壓范圍

寬輸入電壓工作范圍為3V至65V，適應(yīng)多種電源環(huán)境。

3. 無負(fù)載電源電流

在VIN = 24V時，無負(fù)載電源電流僅為12μA，有助于降低功耗。

4. 集成MOSFET

集成了高端和低端功率MOSFET，2Ω的PMOS降壓開關(guān)支持100%占空比，實現(xiàn)低壓差電壓；1Ω的NMOS同步整流器消除了外部肖特基二極管。

5. PFM控制架構(gòu)

支持全陶瓷輸出電容設(shè)計，元件數(shù)量少，自然占空比可擴展至100%，適用于低壓差應(yīng)用。

6. 峰值電感電流設(shè)置

通過開路或從ILIM到GND連接100kΩ外部電阻，可將峰值電感電流水平設(shè)置為60mA。

7. 軟啟動功能

用戶可調(diào)節(jié)軟啟動斜坡時間，通過在SS引腳連接47nF電容，軟啟動時間設(shè)置為6ms；也可選擇內(nèi)部0.9ms軟啟動時間（將SS開路），或使用100kΩ外部電阻連接從SS到GND實現(xiàn)無軟啟動以實現(xiàn)快速啟動能力。

8. 使能和電源良好標(biāo)志

ENABLE和PGOOD端子分別帶有10MΩ和10kΩ上拉電阻到VIN和VOUT。

9. 輸入欠壓鎖定（UVLO）

電阻可編程輸入UVLO，具有可定制的滯后特性，適用于開/關(guān)電壓差異較大的應(yīng)用。內(nèi)部設(shè)置輸入UVLO在2.75V開啟和2.45V關(guān)閉。

10. 輸入電路阻尼

輸入電路的并聯(lián)RC阻尼可適應(yīng)高Q電感電源線。

11. PCB布局

完全組裝、測試并經(jīng)過驗證的PCB布局，總尺寸為15mm x 12mm。

四、性能規(guī)格

1. 輸入特性

輸入電壓范圍為3V至65V，輸入電壓開啟為2.75V，關(guān)閉為2.45V，輸入電壓滯后為0.3V。在無負(fù)載時，輸入電流在VIN = 12V時為15μA，VIN = 24V時為12μA；禁用時，輸入電流在VENABLE = 0V、VIN = 12V時為5μA。

2. 輸出特性

默認(rèn)輸出電壓為5V，輸出電流范圍為0至25mA。負(fù)載調(diào)節(jié)和線路調(diào)節(jié)均為0.5%，輸出電壓紋波在VIN = 12V、IOUT = 12.5mA時為20mVrms，輸出過流保護在VIN = 12V、ILIM設(shè)置為60mA峰值電流時為30mA，軟啟動時間為6ms。

3. 系統(tǒng)特性

開關(guān)頻率在VIN = 12V時為100kHz，半負(fù)載效率在IOUT = 12.5mA、VIN = 12V時為91.7%，全負(fù)載效率在不同輸入電壓下有所不同，如VIN = 8V時為94.5%，VIN = 12V時為92.4%等。LM5165的結(jié)溫范圍為 - 40°C至150°C。

五、測試設(shè)置與流程

1. 測試設(shè)置

參考EVM連接說明，推薦的測試設(shè)置包括連接輸入電壓源、電壓表、電流表、電子負(fù)載和示波器等設(shè)備。在ESD工作站工作時，要確保接地連接正確。

2. 測試設(shè)備

• 電壓源：輸入電壓源VIN應(yīng)為0 - 65V可變直流源，能夠提供100mA電流。
• 萬用表：包括測量輸入電壓、輸出電壓、輸入電流和輸出電流的萬用表，輸入阻抗設(shè)置為1GΩ，電流表的孔徑時間設(shè)置為1秒。
• 電子負(fù)載：負(fù)載應(yīng)為電子恒阻（CR）或恒流（CC）模式負(fù)載，能夠在5V下提供0mAdc至250mAdc的電流。
• 示波器：設(shè)置為20MHz帶寬和AC耦合，用于測量輸出電壓紋波。

3. 推薦測試設(shè)置

• 輸入連接：連接直流輸入源前，建議將源電流限制在最大200mA，確保輸入源初始設(shè)置為0V，并連接到VIN和GND連接點。若使用長輸入線，建議添加一個高ESR、低泄漏的輸入大容量電容器。連接電壓表1測量輸入電壓，連接電流表1測量輸入電流。
• 輸出連接：將電子負(fù)載連接到VOUT和GND連接點，在施加輸入電壓前將負(fù)載設(shè)置為恒阻或恒流模式，設(shè)置為0mAdc。連接電壓表2測量輸出電壓，連接電流表2測量輸出電流。

4. 測試流程

• 線路和負(fù)載調(diào)節(jié)、效率測試：按照上述設(shè)置搭建EVM，將負(fù)載設(shè)置為恒阻或恒流模式，設(shè)置為0mAdc。將輸入源從0V增加到12V，使用電壓表1測量輸入電壓。使用電壓表2測量輸出電壓VOUT，將負(fù)載電流從0變化到25mAdc，VOUT應(yīng)保持在負(fù)載調(diào)節(jié)規(guī)格范圍內(nèi)。將輸入源電壓從5.5V變化到65V，VOUT應(yīng)保持在線路調(diào)節(jié)規(guī)格范圍內(nèi)。最后將負(fù)載減小到0mA，將輸入源電壓減小到0V。

六、測試數(shù)據(jù)與性能曲線

1. 轉(zhuǎn)換效率

通過測試得到PFM轉(zhuǎn)換器在VOUT = 5V時的效率曲線，不同輸入電壓下的效率表現(xiàn)不同。

2. 工作波形

• 開關(guān)波形：包括無負(fù)載、半負(fù)載和全負(fù)載時的SW節(jié)點、VOUT和IL波形，展示了不同輸入電壓下的工作情況。
• 啟動波形：在IOUT = 12.5mA、不同輸入電壓下的啟動波形。
• 使能開啟波形：在VIN = 24V時，不同負(fù)載情況下的使能開啟波形。
• 短路恢復(fù)波形：在不同輸入電壓下的短路恢復(fù)到無負(fù)載的波形。

3. EMI性能

展示了LM5165 PFM轉(zhuǎn)換器在150kHz至30MHz和30MHz至108MHz頻率范圍內(nèi)的傳導(dǎo)發(fā)射EMI性能，包括未濾波和濾波后的情況。

七、EVM文檔

1. 原理圖

提供了5V、25mA PFM可調(diào)輸出版本的原理圖，以及其他參考設(shè)計的原理圖，如COT模式下5V、150mA固定輸出版本和3.3V、50mA固定輸出版本的原理圖。

2. 物料清單

詳細(xì)列出了不同版本的物料清單，包括電容器、電感器、電阻器、集成電路等元件的型號和制造商。

3. PCB布局

展示了LM5165 4層PCB的設(shè)計，包括頂層銅層、第二層、第三層、底層銅層以及頂部和底部組裝圖。

八、參考設(shè)計

除了上述介紹的設(shè)計，還可以在同一PCB上實現(xiàn)其他設(shè)計，讀者可以參考LM5165EVM - HD - C50X EVM用戶指南（SNVU511）獲取更多信息。

LM5165EVM - HD - P50A EVM為電子工程師提供了一個全面的平臺，用于評估和驗證LM5165同步降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的性能。通過詳細(xì)的測試和數(shù)據(jù)，我們可以深入了解其在不同應(yīng)用場景下的表現(xiàn)，為實際設(shè)計提供有力的參考。大家在實際使用過程中，有沒有遇到過類似評估模塊的應(yīng)用挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享。