深入剖析LM5009A評(píng)估板：從原理到應(yīng)用

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一款優(yōu)秀的評(píng)估板能為工程師的設(shè)計(jì)工作提供極大的便利。今天，我們就來(lái)深入探討TI的LM5009A評(píng)估板，它基于恒定導(dǎo)通時(shí)間（COT）工作原理，是一款功能完備的降壓調(diào)節(jié)器評(píng)估板。

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1. 評(píng)估板概述

1.1 基本參數(shù)

LM5009A評(píng)估板可在8V - 75V的輸入電壓范圍內(nèi)提供5V的輸出電壓，最大負(fù)載電流為150 mA，電流限制標(biāo)稱值為260 mA。在輸入電壓為8V、輸出電流為100 mA時(shí)，測(cè)量效率可達(dá)90.6%，標(biāo)稱開關(guān)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(shí)際應(yīng)用中提供了明確的參考。

1.2 工作原理

當(dāng)電路處于調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)，降壓開關(guān)每個(gè)周期的導(dǎo)通時(shí)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(dǎo)通時(shí)間范圍從輸入電壓為8V時(shí)的約4.85 μs到75V時(shí)的約517 ns，且導(dǎo)通時(shí)間與VIN成反比，以保持近乎恒定的開關(guān)頻率。每個(gè)導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束后，最小關(guān)斷定時(shí)器確保降壓開關(guān)至少關(guān)斷300 ns。在關(guān)斷期間，負(fù)載電流由輸出電容C2提供。當(dāng)輸出電壓下降到使FB引腳電壓低于2.5V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。

2. 評(píng)估板使用要點(diǎn)

2.1 布局與探測(cè)注意事項(xiàng)

• 當(dāng)評(píng)估板在高輸入電壓和高負(fù)載電流下工作時(shí)，可能需要強(qiáng)制空氣流動(dòng)來(lái)散熱。
• 高輸入電壓和高負(fù)載電流時(shí)，LM5009A和二極管D1可能會(huì)發(fā)熱，觸摸時(shí)需小心。
• 在高輸入電壓下探測(cè)電路時(shí)要格外小心，防止受傷和電路損壞。
• 在最大負(fù)載電流下，連接負(fù)載的電線尺寸和長(zhǎng)度很重要，要確保評(píng)估板與負(fù)載之間的電線沒(méi)有明顯的電壓降。

2.2 連接與啟動(dòng)

輸入連接到J1連接器，負(fù)載連接到J2（OUT）和J3（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8V，此時(shí)輸出電壓應(yīng)為5V。若輸出電壓正確，可按需增加輸入電壓，但不要超過(guò)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(guān)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(nèi)，輸出電壓的紋波范圍約為53 mVp - p到132 mVp - p。如果應(yīng)用能接受這個(gè)紋波水平，這是最經(jīng)濟(jì)的解決方案。

3.2 中等紋波配置（Option B）

通過(guò)在R3兩端添加一個(gè)電容Cff，這種配置比Option A產(chǎn)生的輸出紋波更小。由于輸出紋波通過(guò)Cff幾乎無(wú)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(jì)算，其中$t_{ON(max)}$是最大導(dǎo)通時(shí)間（在最小輸入電壓時(shí)），R3 // R4是反饋電阻的并聯(lián)等效值。在輸入電壓范圍內(nèi)，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(shè)置為0Ω，并添加RA、CA和CB來(lái)為FB引腳產(chǎn)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(guò)以下步驟計(jì)算RA、CA和CB的值：

• 計(jì)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(duì)值（通常為0.6V），VIN是最小輸入電壓。對(duì)于該電路，VA計(jì)算為4.78V。
• 計(jì)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(dǎo)通時(shí)間（約4.85 μs），VIN是最小輸入電壓，ΔV是RA/CA結(jié)點(diǎn)所需的紋波幅度（本例為50 mVp - p）。然后從標(biāo)準(zhǔn)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(guān)斷時(shí)間

當(dāng)檢測(cè)到電流限制時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間周期立即終止，LM5009A強(qiáng)制的關(guān)斷時(shí)間必須大于最大正常關(guān)斷時(shí)間（在最大輸入電壓時(shí)出現(xiàn)）。較長(zhǎng)的關(guān)斷時(shí)間是為了使電感器電流至少降低到與導(dǎo)致電流限制檢測(cè)的導(dǎo)通期間電流增加量相同，甚至更多。強(qiáng)制關(guān)斷時(shí)間由RCL引腳的電阻R2決定，計(jì)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(cè)時(shí)FB引腳的電壓。在該評(píng)估板中，最大正常關(guān)斷時(shí)間約為7.2 μs（在75V時(shí)），考慮到導(dǎo)通時(shí)間的25%公差，關(guān)斷時(shí)間公差也為25%，最大可能關(guān)斷時(shí)間為9 μs?？紤]到電流限制檢測(cè)電路的響應(yīng)時(shí)間（350 ns），最大關(guān)斷時(shí)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(shí)，計(jì)算得出R2為691 kΩ，實(shí)際使用標(biāo)準(zhǔn)值715 kΩ電阻。

5. 監(jiān)測(cè)與測(cè)量

5.1 電感電流監(jiān)測(cè)

可以使用電流探頭在示波器上監(jiān)測(cè)或查看電感器的電流。移除R6，并在R6所在的兩個(gè)大焊盤上安裝一個(gè)合適的電流環(huán)，這樣可以準(zhǔn)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(píng)估板提供了示波器探頭適配器，用于監(jiān)測(cè)SW引腳和電路輸出（VOUT）的波形，無(wú)需使用探頭的接地引線，可避免拾取開關(guān)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(píng)估板還給出了效率與負(fù)載電流、輸入電壓的關(guān)系曲線，輸出電壓紋波、開關(guān)頻率與輸入電壓的關(guān)系曲線，電流限制與輸入電壓的關(guān)系曲線，以及線路調(diào)節(jié)和負(fù)載調(diào)節(jié)曲線等。同時(shí)，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，這些數(shù)據(jù)和波形能幫助工程師更好地了解評(píng)估板的性能。

7. 總結(jié)

LM5009A評(píng)估板為工程師提供了一個(gè)方便的平臺(tái)來(lái)評(píng)估和設(shè)計(jì)基于恒定導(dǎo)通時(shí)間原理的降壓調(diào)節(jié)器電路。通過(guò)合理選擇紋波控制方案、設(shè)置電流限制關(guān)斷時(shí)間等，可以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。在使用過(guò)程中，要注意布局、連接和散熱等問(wèn)題，以確保電路的穩(wěn)定運(yùn)行。你在使用類似評(píng)估板時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。