AN - 1305 LM5030評估板：功能、原理與使用指南

在電子設(shè)計領(lǐng)域，評估板是工程師們驗證新器件性能和功能的重要工具。今天我們要深入探討的是AN - 1305 LM5030評估板，它展示了一款采用LM5030 100V推挽電流模式PWM控制器的全功能推挽式轉(zhuǎn)換器。

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一、評估板簡介

AN - 1305評估板為設(shè)計工程師提供了一個使用LM5030 PWM控制器的全功能推挽式電源轉(zhuǎn)換器。其性能參數(shù)如下：

• 輸入范圍：36V至75V
• 輸出電壓：3.3V
• 輸出電流：0至10A
• 測量效率：在48V輸入、10A負(fù)載電流時為82%
• 板尺寸：2.4 × 2.4 × 0.5英寸
• 負(fù)載調(diào)節(jié)率：±1.0%（1 - 10A）
• 線性調(diào)節(jié)率：±0.15%（36 - 75V）
• 具備關(guān)機輸入和同步輸入功能

印刷電路板由兩層2盎司銅箔敷設(shè)在FR4材料上，總厚度為0.062英寸，設(shè)計用于在額定負(fù)載下連續(xù)運行。

二、工作原理

功率轉(zhuǎn)換部分

參考圖10，LM5030控制器（U1）交替驅(qū)動兩個N溝道MOSFET，它們?yōu)殡娫醋儔浩鞯某跫墸═1）的兩半供電。變壓器的次級經(jīng)過整流，并通過LC濾波器（L2，C3 - 5）濾波，以提供輸出電壓。

反饋控制部分

反饋路徑從LM3411精密調(diào)節(jié)器驅(qū)動器（U3）開始，它感測輸出電壓，將其與內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較，并根據(jù)誤差電壓驅(qū)動光耦合器（U2）。光耦合器在反饋路徑中提供隔離，其集電極開路輸出驅(qū)動LM5030上的COMP引腳，該引腳控制MOSFET的脈沖寬度。COMP引腳電壓越低，MOSFET占空比越小。

電流監(jiān)測與保護(hù)

主變壓器初級的電流通過電流感測變壓器（T2）在LM5030的CS引腳進(jìn)行監(jiān)測。CS引腳的電壓用于電流模式PWM控制和電流限制保護(hù)。

輔助電源

輸出電感器（L2）不僅平滑輸出電壓波形，還通過其二次繞組產(chǎn)生輔助電壓，為LM5030的Vcc引腳供電。這一特性減少了IC內(nèi)部的功耗，從而提高了可靠性。

同步與關(guān)機功能

評估板上提供了同步輸入焊盤（SYNC），用于將電路的工作頻率與外部源同步。關(guān)機輸入焊盤（SD）允許通過外部開關(guān)接地來關(guān)閉電路的運行。

三、板布局與探測注意事項

接地問題

評估板有兩個電路接地，一個與輸入電源相關(guān)，另一個與輸出電源相關(guān)。這些接地通過電容（C6）耦合，但直流隔離。

發(fā)熱問題

在最大負(fù)載電流下，主要載流組件（L1、T1、T2、Q1、Q2、D1和L2）會發(fā)熱，使用時需謹(jǐn)慎。如果長時間在最大負(fù)載電流下運行，建議使用風(fēng)扇提供強制氣流。

高壓探測

在最大輸入電壓下探測初級側(cè)時要小心，75V電壓足以產(chǎn)生電擊和火花。

輸出連接

在最大負(fù)載電流（10A）時，連接評估板輸出到負(fù)載的電線尺寸和長度很重要，要確保電線中沒有明顯的電壓降。評估板輸出提供了兩個連接器，一個用于+3.3V輸出（J2 Out），另一個用于接地連接（J3 IGND），建議充分利用這一特性以確保低損耗連接。

輸入連接

輸入電壓連接器為J1。

四、連接與啟動

輸入連接

從電源到評估板的輸入連接通過連接器J1進(jìn)行。電源不僅要能夠提供正常運行時的電流，還要能提供啟動時的浪涌電流。例如，當(dāng)負(fù)載電流設(shè)置為1.0A時，浪涌電流峰值約為250 mA；當(dāng)負(fù)載設(shè)置為10A時，浪涌電流峰值約為1.7A。電路正常運行后，電源的電流消耗是負(fù)載電流和輸入電壓的函數(shù)。

負(fù)載連接

負(fù)載連接到J2和J3連接器。為了適應(yīng)合適尺寸的電線，提供了兩個連接器。當(dāng)負(fù)載電流為10A時，負(fù)載連接應(yīng)使用至少16號的電線，最好更大。

啟動前檢查

啟動前，應(yīng)在輸入端子和輸出端子分別連接電壓表，并使用電流表或電流探頭監(jiān)測輸入電流。打開電源后，應(yīng)立即檢查這三個儀表的讀數(shù)是否正常。

五、性能表現(xiàn)

輸出電壓調(diào)節(jié)

電路通電并正常運行后，輸出電壓將被調(diào)節(jié)到+3.3V，其精度由LM3411調(diào)節(jié)器驅(qū)動器的精度決定。當(dāng)負(fù)載電流在1.0至10A之間變化時，輸出電壓調(diào)節(jié)在±30 mV（±1.0%）以內(nèi)；對于給定的負(fù)載電流，當(dāng)輸入電壓在其范圍內(nèi)（36 - 75V）變化時，輸出電壓調(diào)節(jié)在5 mV以內(nèi)。

轉(zhuǎn)換效率

功率轉(zhuǎn)換效率如圖3所示，它與負(fù)載電流和輸入電壓有關(guān)。

六、波形分析

如果要對電路進(jìn)行探測，圖4展示了各種輸入/輸出組合的一些重要波形。需要注意的是，評估板有兩個電路接地，示波器探頭的接地必須正確連接。

波形參數(shù)

表中t1和t2的單位為微秒，F(xiàn)s的單位為kHz，F(xiàn)s是內(nèi)部振蕩器的頻率，是每個MOSFET開關(guān)頻率的兩倍。所有電壓均相對于電路接地，L2輸出是J2處的穩(wěn)壓輸出，通常紋波小于10mV。V4、V5、V7和V9上升沿的尖峰是由于T1中的漏電感引起的。MOSFET（Q1，Q2）的電壓額定值由這些尖峰（V4）的幅度決定，其電流額定值由圖2中所示的輸入電流加上約10%的紋波分量決定。

七、VCC電源

LM5030內(nèi)部在VCC（7.7V）處產(chǎn)生電壓，內(nèi)部調(diào)節(jié)器主要在啟動序列期間使用。一旦負(fù)載電流開始流經(jīng)L2（既是輸出濾波器的電感器又是變壓器），L2的次級會產(chǎn)生電壓為VCC引腳供電。當(dāng)外部施加的電壓超過內(nèi)部值（7.7V）時，內(nèi)部調(diào)節(jié)器關(guān)閉，從而減少LM5030內(nèi)部的功耗。L2的構(gòu)造使得提供給VCC的電壓根據(jù)負(fù)載電流在約10.6V至約11.3V之間變化。

八、電流感測

監(jiān)測輸入電流可以很好地指示電路的運行情況。如果輸出端存在過載情況（部分過載或短路），輸入電流將高于圖2中所示的標(biāo)稱值。變壓器T2與D3、R9、R12和C10一起，為LM5030的8號引腳（CS）提供一個代表其初級輸入電流的電壓。8號引腳的平均電壓如圖6所示。如果第一個電流感測比較器的電壓超過0.5V，LM5030將禁用其輸出，電路進(jìn)入逐周期電流限制模式。如果由于嚴(yán)重過載和變壓器飽和導(dǎo)致第二個電平閾值（0.625V）被超過，LM5030將禁用其輸出并啟動軟啟動序列。不過，由于逐周期電流限制器（CS1）的傳播延遲非常短、CS濾波器（R9、R12和C10）的設(shè)計以及輸出電感器（L2）的保守設(shè)計，在這個評估板上可能不會達(dá)到第二個電流閾值。

九、關(guān)機功能

評估板上的關(guān)機焊盤（SD）連接到LM5030的軟啟動引腳（10號引腳），允許通過外部開關(guān)對轉(zhuǎn)換器進(jìn)行開/關(guān)控制。應(yīng)使用集電極開路或漏極開路器件將SD拉至0.45V以下，以關(guān)閉LM5030的輸出和VCC調(diào)節(jié)器。如果SD焊盤的電壓在1.0至1.5V之間，會導(dǎo)致部分開啟狀態(tài)，這可能會對系統(tǒng)造成干擾。因此，SD焊盤的電壓應(yīng)在其開路電壓（4.9V）和地之間快速轉(zhuǎn)換。

十、外部同步

盡管LM5030包含一個內(nèi)部振蕩器，但如果需要，其工作頻率可以與外部信號同步。外部源頻率必須高于使用RT電阻設(shè)置的內(nèi)部頻率（RT = 20K時為262kHz）。同步輸入脈沖寬度必須在15至150 ns之間，并且在評估板的同步焊盤上的幅度為1.5 - 3.0V。脈沖通過一個100pF的電容器（C16）耦合到LM5030，如數(shù)據(jù)手冊中所規(guī)定。

十一、物料清單

評估板的物料清單詳細(xì)列出了各個組件的型號、描述和參數(shù)，包括電容器、二極管、電感器、電阻器、變壓器、集成電路、MOSFET和連接器等。這些組件的選擇和參數(shù)對于評估板的性能起著關(guān)鍵作用。

十二、PCB布局圖與原理圖

評估板提供了底層、頂層絲印、頂層的PCB布局圖以及電路板原理圖，這些圖紙對于理解評估板的結(jié)構(gòu)和電路連接非常有幫助。

通過對AN - 1305 LM5030評估板的詳細(xì)介紹，相信工程師們對其功能、原理和使用方法有了更深入的了解。在實際設(shè)計中，我們可以根據(jù)這些信息進(jìn)行合理的應(yīng)用和改進(jìn)，以滿足不同的設(shè)計需求。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。