深度剖析LM5009評估板：設(shè)計(jì)、性能與應(yīng)用

在電子工程師的日常工作中，評估板是驗(yàn)證芯片性能和設(shè)計(jì)電路的重要工具。今天，我們就來深入探討一下TI的LM5009評估板，看看它在降壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)中的表現(xiàn)和應(yīng)用。

文件下載：LM5009EVAL.pdf

一、評估板概述

LM5009評估板為工程師提供了一個(gè)基于恒定導(dǎo)通時(shí)間（COT）工作原理的全功能降壓調(diào)節(jié)器。它能在12V - 95V的輸入電壓范圍內(nèi)提供10V的輸出電壓，最大負(fù)載電流可達(dá)150mA，電流限制約為240mA。評估板上除了C6和C9外，其他外部元件都已焊接好，這兩個(gè)元件可用于管理輸出紋波。

主要規(guī)格參數(shù)

• 輸入電壓：12V - 95V
• 輸出電壓：10V
• 最大負(fù)載電流：150mA
• 最小負(fù)載電流：0mA
• 電流限制：約240mA
• 測量效率：93.3%（VIN = 12V，IOUT = 100mA）
• 標(biāo)稱開關(guān)頻率：240kHz
• 尺寸：1.6英寸 x 1.0英寸 x 0.5英寸

二、工作原理

導(dǎo)通時(shí)間與開關(guān)頻率計(jì)算

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和輸入電壓決定，計(jì)算公式為：$t{ON} = frac{V{IN}}{1.25 times 10^{-10} times R1}$。標(biāo)稱開關(guān)頻率則由公式$F{S} = frac{V{OUT}}{1.25 times 10^{-10} times R1}$計(jì)算得出。在該評估板中，導(dǎo)通時(shí)間在Vin = 12V時(shí)約為3540ns，在Vin = 95V時(shí)約為450ns，導(dǎo)通時(shí)間與VIN成反比，以保持近似恒定的開關(guān)頻率（標(biāo)稱240kHz）。

工作過程

每個(gè)導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束時(shí)，最小關(guān)斷定時(shí)器確保降壓開關(guān)至少關(guān)斷300ns。在關(guān)斷期間，輸出電容（C2）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(shí)，調(diào)節(jié)比較器啟動新的導(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引腳需要約25mVp - p的紋波來切換調(diào)節(jié)比較器。

三、板載布局與探測注意事項(xiàng)

布局

從評估板的布局圖可以看到各個(gè)電路元件的位置。在設(shè)計(jì)類似電路時(shí)，合理的布局對于減少干擾和提高性能非常重要。

注意事項(xiàng)

• 當(dāng)在高輸入電壓和高負(fù)載電流下工作時(shí)，建議使用強(qiáng)制氣流散熱。
• 在高輸入電壓和高負(fù)載電流下操作時(shí)，LM5009可能會發(fā)燙，觸摸時(shí)要小心。
• 在高輸入電壓下探測電路時(shí)，要格外小心，防止受傷和損壞電路。
• 確保連接評估板和負(fù)載的電線尺寸適合負(fù)載電流，避免在電線中出現(xiàn)明顯的壓降。

四、連接與啟動步驟

連接方式

輸入連接到J1連接器，負(fù)載通常連接到J3連接器的V1和GND端子。要確保電線尺寸適合預(yù)期的負(fù)載電流。

啟動檢查

在啟動前，應(yīng)將電壓表連接到輸入和輸出端子，并使用電流表或電流探頭監(jiān)測負(fù)載電流。建議逐漸將輸入電壓增加到12V，此時(shí)輸出電壓應(yīng)為10V。如果在VIN為12V時(shí)輸出電壓正確，則可根據(jù)需要增加輸入電壓并評估電路。

五、輸出紋波控制

LM5009的FB引腳需要至少25mVp - p的紋波，且與SW引腳的開關(guān)波形同相，才能正常工作。評估板提供了多種控制輸出紋波的配置方案。

最小輸出紋波配置

通過將R4設(shè)置為零歐姆，并包含元件R6、C7和C8，可實(shí)現(xiàn)最小紋波。輸出紋波主要由輸出電容（C2）的等效串聯(lián)電阻（ESR）和電感器的紋波電流決定，在VIN = 12V時(shí)為5mVp - p，在VIN = 95V時(shí)為14mVp - p。FB引腳所需的紋波電壓由R6、C7和C8產(chǎn)生。

計(jì)算R6、C7和C8的值

1. 計(jì)算電壓$V{A}$：$V{A} = V{OUT} - (V{SW} times (1 - (V{OUT}/V{IN})))$，其中$V{SW}$是關(guān)斷期間SW引腳電壓的絕對值（通常為1V），$V{IN}$是最小輸入電壓。
2. 計(jì)算$R6 times C7$的乘積：$R6 times C7 = frac{(Delta V times (V{IN} pm V{A}) times t{ON}}{10^{-6}}$，其中$t{ON}$是最大導(dǎo)通時(shí)間，$Delta V$是R6/C7 junction所需的紋波幅度。

中間紋波水平配置

使用R4和C6代替R6、C7和C8，這種配置會產(chǎn)生比最小紋波配置更多的紋波，但使用的電容更少。R4用于在VOUT1產(chǎn)生至少25mV的紋波，C6將紋波耦合到FB引腳。

最低成本配置

與中間紋波水平配置類似，但不使用C6。為了滿足FB引腳25mVp - p的紋波要求，R4選擇為3.3Ω，以在VOUT1產(chǎn)生100mVp - p的紋波。

替代低紋波配置

將負(fù)載連接到VOUT2可獲得低紋波輸出，適用于負(fù)載電流相對恒定的應(yīng)用。但要確保R4的功率額定值適合負(fù)載電流。

六、電流限制

LM5009包含一個(gè)智能電流限制關(guān)斷定時(shí)器，電流限制閾值為310mA ± 60mA。當(dāng)降壓開關(guān)中的電流達(dá)到閾值時(shí)，當(dāng)前的導(dǎo)通時(shí)間周期立即終止，并啟動一個(gè)不可復(fù)位的關(guān)斷時(shí)間。關(guān)斷時(shí)間的長度由外部電阻（R5）和FB引腳的電壓控制。電流限制關(guān)斷時(shí)間的計(jì)算公式為$t{OFF} = frac{0.285 + 10^{-5}}{6.35 times 10^{-6} times R5} times V{FB}$。

七、最小負(fù)載電流

LM5009需要約500μA的最小負(fù)載電流，以確保升壓電容（C5）在每個(gè)關(guān)斷期間得到充分充電。在該評估板中，反饋電阻（R2、R3）提供了最小負(fù)載電流，使評估板的最小負(fù)載電流可指定為零。

八、電路性能與物料清單

性能表現(xiàn)

通過效率與負(fù)載電流、輸入電壓的關(guān)系圖，以及輸出電壓紋波和開關(guān)頻率與負(fù)載電流的關(guān)系圖，可以直觀地了解評估板的性能。

物料清單

評估板的物料清單詳細(xì)列出了各個(gè)元件的制造商、型號、封裝和值，為工程師進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和元件選型提供了參考。

九、總結(jié)與思考

LM5009評估板為工程師提供了一個(gè)方便的平臺，用于評估和設(shè)計(jì)基于LM5009的降壓調(diào)節(jié)器電路。通過不同的輸出紋波控制配置和電流限制功能，工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用中，你會如何根據(jù)這些特性選擇合適的配置呢？希望這篇文章能為你的設(shè)計(jì)工作提供一些有價(jià)值的參考。