深度解析LM25085評(píng)估板：設(shè)計(jì)、性能與應(yīng)用

在電子工程師的日常工作中，評(píng)估板是驗(yàn)證和測(cè)試電路設(shè)計(jì)的重要工具。今天我們要深入探討的是TI公司的LM25085評(píng)估板，它為工程師提供了一個(gè)基于LM25085 PFET開(kāi)關(guān)控制器的全功能降壓調(diào)節(jié)器解決方案。

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評(píng)估板概述

LM25085評(píng)估板采用了恒定導(dǎo)通時(shí)間（COT）工作原理，能夠在5.5V至42V的輸入電壓范圍內(nèi)提供5V的穩(wěn)定輸出。其最大負(fù)載電流可達(dá)5A，電流限制閾值約為8.2A。評(píng)估板尺寸為3.1英寸x 1.5英寸x 0.78英寸，除電容C5外，所有組件均已安裝。

主要規(guī)格參數(shù)

• 輸入電壓：5.5V - 42V
• 輸出電壓：5V
• 最大負(fù)載電流：當(dāng) (V_{IN }>9 ~V) 時(shí)為5A
• 最小負(fù)載電流：0A
• 電流限制閾值：約8.2A
• 測(cè)量效率：在 (V{IN}=5.5 ~V) ， (I{OUT }=0.6A) 時(shí)為97.2%
• 標(biāo)稱開(kāi)關(guān)頻率：300kHz

工作原理

導(dǎo)通時(shí)間的確定

評(píng)估板電路在調(diào)節(jié)過(guò)程中，PGATE輸出引腳的導(dǎo)通時(shí)間由電阻R4和輸入電壓 (V{IN }) 決定，計(jì)算公式為：（此處應(yīng)給出具體公式，但文檔中未明確寫出）。由于MOSFET Q1的導(dǎo)通和關(guān)斷延遲差異，SW節(jié)點(diǎn)（Q1、L1和D1的連接點(diǎn)）的導(dǎo)通時(shí)間比計(jì)算值更長(zhǎng)。例如，Si7465 PFET的典型導(dǎo)通延遲為8 ns，關(guān)斷延遲為65 ns，導(dǎo)致SW節(jié)點(diǎn)額外增加57 ns的導(dǎo)通時(shí)間。評(píng)估板的SW導(dǎo)通時(shí)間在 (V{IN}=5.5 ~V) 時(shí)約為3479 ns，在 (V{IN}=42 ~V) 時(shí)約為438 ns，且導(dǎo)通時(shí)間與 (V{IN }) 成反比，以保持近乎恒定的開(kāi)關(guān)頻率。

關(guān)斷時(shí)間與負(fù)載供電

在關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，負(fù)載電流由電感和輸出電容（C6、C7）提供。當(dāng)輸出電壓下降到使FB引腳的電壓低于參考電壓（1.25V）時(shí)，調(diào)節(jié)比較器啟動(dòng)新的導(dǎo)通時(shí)間周期。為了實(shí)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(lái)切換調(diào)節(jié)比較器，該紋波由R7和C10產(chǎn)生，并通過(guò)C9提供給FB引腳。

電流限制

電流限制閾值由檢測(cè)電阻（R5）和ADJ引腳的R3設(shè)置，評(píng)估板上約為8.2A。ADJ引腳的電流源在R3上設(shè)置一個(gè)恒定電壓，當(dāng)R5上的電壓超過(guò)R3上的電壓時(shí)，電流限制比較器切換以關(guān)閉Q1，同時(shí)LM25085強(qiáng)制一個(gè)比正常更長(zhǎng)的關(guān)斷時(shí)間，這個(gè)長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間是輸入電壓 (V_{IN }) 和FB引腳電壓的函數(shù)，目的是使電感電流至少降低到導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)增加的電流值。

板布局與探測(cè)注意事項(xiàng)

• 散熱問(wèn)題：在高輸入電壓和連續(xù)導(dǎo)通模式下運(yùn)行時(shí)，需要強(qiáng)制空氣流動(dòng)以防止LM25085控制器過(guò)熱；在高負(fù)載電流下運(yùn)行時(shí)，可能需要強(qiáng)制空氣流動(dòng)以防止Q1、D1和L1過(guò)熱，這些組件可能會(huì)燙手。
• 安全問(wèn)題：在高輸入電壓下探測(cè)電路時(shí)要格外小心，以防止受傷和電路損壞。
• 導(dǎo)線問(wèn)題：在最大負(fù)載電流（5A）下，連接電源和負(fù)載的導(dǎo)線尺寸和長(zhǎng)度變得至關(guān)重要，要確保輸入電流和負(fù)載電流的導(dǎo)線沒(méi)有明顯的電壓降。

板連接與啟動(dòng)

輸入連接通過(guò)J1（+）和J2（-）連接器進(jìn)行，負(fù)載連接到J3（ (V{OUT }) ）和J4（GND）端子。啟動(dòng)前，應(yīng)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(cè)負(fù)載電流。建議將輸入電壓逐漸增加到4.5V，此時(shí)輸出電壓應(yīng)略低于4.5V，具體取決于負(fù)載電流。當(dāng)輸入電壓超過(guò)5V時(shí)，輸出電壓將穩(wěn)定在5V。注意，輸入電壓 (V{IN}) 不要超過(guò)45V。

負(fù)載電流降額

雖然評(píng)估板的最大負(fù)載電流指定為5A，但Si7465 PFET的數(shù)據(jù)表規(guī)定最大連續(xù)電流為3.2A。由于輸入電流（即通過(guò)Q1的平均電流）隨著輸入電壓的降低而增加，因此在低輸入電壓下需要對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行降額。

低電壓運(yùn)行

當(dāng)輸入電壓低于5V時(shí)，PFET（Q1）持續(xù)導(dǎo)通（100%占空比），輸出電壓等于輸入電壓減去檢測(cè)電阻、Q1和電感上的電壓降。當(dāng)輸入電壓高于5V時(shí)，LM25085開(kāi)始調(diào)節(jié)輸出電壓為5V，由于LM25085沒(méi)有最小關(guān)斷時(shí)間要求，電路可以從100%占空比平滑過(guò)渡到調(diào)節(jié)輸出。

電流限制檢測(cè)方法

檢測(cè)電阻法

評(píng)估板采用檢測(cè)電阻法進(jìn)行電流限制檢測(cè)，跳線A - B在兩個(gè)跳線位置（JP1、JP2）就位，將ADJ引腳電阻（R3）和ISEN引腳連接到檢測(cè)電阻（R5）兩端。當(dāng)R5上的電壓在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)超過(guò)R3上的電壓時(shí)，電流限制比較器切換以關(guān)閉Q1。根據(jù)公式 (I_{C L}=40 mu A × R 3 / R 5) ，在 (R 5=10 ~m Omega) 和 (R 3=2.05 k Omega) 時(shí)，標(biāo)稱電流限制閾值計(jì)算為8.2A。考慮到電感電流波形的峰值和紋波電流幅度，不同輸入電壓下的負(fù)載電流會(huì)有所不同。

(R_{DS(ON)}) 法

若要使用Q1的 (R{DS(ON)}) 進(jìn)行電流限制檢測(cè)，需將JP1和JP2的跳線從A - B位置移到B - C位置，此時(shí)需要更改R3的值。根據(jù)Si7465 PFET的數(shù)據(jù)表，在 (V{GS}=7.7 ~V) 時(shí)， (R_{DS(ON)}) 估計(jì)為57 mΩ，為實(shí)現(xiàn)相同的標(biāo)稱電流限制閾值（8.2A），通過(guò)公式計(jì)算R3為11.7 kΩ。

輸出紋波控制

LM25085要求FB引腳有至少25 mVp - p的紋波，且與SW節(jié)點(diǎn)的開(kāi)關(guān)波形同相。評(píng)估板提供了三種不同的紋波控制配置：

最小輸出紋波配置

使用R7、C9和C10組件，通過(guò)R7和C10產(chǎn)生FB引腳所需的紋波，將其耦合到FB引腳。通過(guò)一系列計(jì)算可以確定R7、C9和C10的值，這種配置可以使輸出紋波最小化，輸出紋波在 (V{IN}=5.5 ~V) 時(shí)約為10 mVp - p，在 (V{IN}=42 ~V) 時(shí)約為28 mVp - p。

降低紋波水平配置

使用R6和C5代替R7、C9和C10，通過(guò)電感的紋波電流在R6上產(chǎn)生紋波電壓，并通過(guò)C5傳遞到FB引腳。這種配置產(chǎn)生的輸出紋波比最小輸出紋波配置更多，但使用的電容更少，更經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單。

最低成本配置

與降低紋波水平配置類似，但去掉了C5，F(xiàn)B引腳的紋波由輸出電壓的紋波通過(guò)反饋電阻衰減得到。為滿足FB引腳至少25 mVp - p的紋波要求，R6需要產(chǎn)生至少100 mV的輸出紋波。這種配置在應(yīng)用能夠接受較高紋波水平時(shí)是最經(jīng)濟(jì)的解決方案。

其他功能

電感電流監(jiān)測(cè)

可以使用電流探頭監(jiān)測(cè)電感電流，通過(guò)移除WIRE LOOP焊盤上的跳線，并安裝合適的電流環(huán)來(lái)準(zhǔn)確確定電感的紋波電流和峰值電流。

示波器探頭適配器

評(píng)估板提供了示波器探頭適配器，用于監(jiān)測(cè)SW節(jié)點(diǎn)和輸出電壓 (V_{OUT }) 的波形，避免使用探頭的接地引線拾取開(kāi)關(guān)波形的噪聲。

電路性能與波形

文檔還給出了評(píng)估板的電路性能圖表，包括效率與負(fù)載電流、輸入電壓的關(guān)系，開(kāi)關(guān)頻率與輸入電壓的關(guān)系，輸出電壓紋波，線路調(diào)節(jié)和負(fù)載調(diào)節(jié)等。同時(shí)，還展示了連續(xù)導(dǎo)通模式和不連續(xù)導(dǎo)通模式下的典型波形，幫助工程師更好地理解電路的工作狀態(tài)。

綜上所述，LM25085評(píng)估板為工程師提供了一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的降壓調(diào)節(jié)器解決方案。通過(guò)對(duì)其工作原理、板布局、連接啟動(dòng)、電流限制和紋波控制等方面的深入了解，工程師可以更好地利用該評(píng)估板進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和測(cè)試。大家在使用過(guò)程中有沒(méi)有遇到過(guò)類似評(píng)估板的特殊問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。