深入剖析LM5034評估板：電源設(shè)計的得力助手

在電源設(shè)計領(lǐng)域，一款性能優(yōu)良的評估板能為工程師們帶來極大的便利。今天，我們就來詳細(xì)探討一下TI的LM5034評估板，看看它能為電源設(shè)計帶來哪些獨特的優(yōu)勢。

文件下載：LM5034EVAL.pdf

一、LM5034評估板概述

LM5034評估板為電源設(shè)計工程師提供了一個功能完備的200W雙交錯DC - DC電源開關(guān)穩(wěn)壓器，采用正激/有源鉗位拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它使用單個LM5034雙電流模式PWM控制器來控制兩個轉(zhuǎn)換器通道。通過板上的跳線，可將其配置為兩個獨立的穩(wěn)壓器（3.3V和2.5V輸出），或者作為一個提供3.3V的單高電流穩(wěn)壓器。兩個控制器通道以180°異相運行，從而降低輸入紋波電流。

1. 核心優(yōu)勢

• 高效功率轉(zhuǎn)換：通過使用高速、高電流復(fù)合柵極驅(qū)動器，可將初級側(cè)開關(guān)的功耗降至最低，其能夠提供1.5A的源電流和2.5A的灌電流。同時，有源鉗位的使用也減少了與變壓器復(fù)位相關(guān)的功耗。
• 低整流損耗：同步整流器降低了次級側(cè)的整流損耗。
• 靈活配置：可通過單個電阻（R8）改變開關(guān)頻率，還能將開關(guān)頻率同步到外部源。此外，主開關(guān)和有源鉗位開關(guān)之間的死區(qū)時間（R7）、最大允許占空比限制（R3）、打嗝模式時序（C8）、欠壓鎖定閾值（R4，R5）以及軟啟動時序（C10，C11）都可以進(jìn)行調(diào)整。

2. 技術(shù)參數(shù)

• 輸入電壓：36V至78V
• 輸出電壓：3.3V（±2.5%）和2.5V（±1.5%），或單個3.3V（±2.5%）高電流輸出
• 輸出電流：每個獨立輸出為30A，配置為單輸出時為60A
• 測量效率：在Vin = 48V，Iout = 20A，單3.3V輸出的情況下，效率可達(dá)94%
• 開關(guān)頻率：200 kHz
• 電流限制：每個輸出約為31.5A
• 輸入電壓欠壓鎖定：上升約34.3V，下降約32.3V
• 尺寸：3.4 x 2.4 x 0.48英寸

二、電路結(jié)構(gòu)分析

1. 原理圖解讀

從原理圖來看，電路由LM5034雙控制器和兩個幾乎相同的正激轉(zhuǎn)換器通道組成。以3.3V輸出通道為例，電流檢測變壓器T1為LM5034的CS2引腳提供初級側(cè)電流信息，用于電流模式PWM控制和過流檢測。Q1是電源變壓器（T3）的主開關(guān)，Q2是有源鉗位開關(guān)。Q5 - Q8是次級側(cè)的自驅(qū)動同步整流器。輸出濾波器由L2和C28 - C32組成。此外，L2還有一個輔助繞組，在該通道啟用時為LM5034的VCC引腳供電。誤差放大器U3與參考U5一起，通過光耦為LM5034的COMP2引腳提供電壓反饋信號。

2. 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)。初級側(cè)和次級側(cè)的接地平面分別共享，但初級和次級接地是直流隔離的，通過高壓電容C5和C50進(jìn)行交流耦合。
• 發(fā)熱問題：功率傳輸組件（L1，T3，T4，L2，L3，以及Q1 - Q12）在高負(fù)載電流下可能會發(fā)熱，當(dāng)任一通道的負(fù)載電流超過15A時，需要使用風(fēng)扇提供強(qiáng)制空氣流動。
• 高壓安全：在最大輸入電壓下探測初級側(cè)時要格外小心，78V的電壓足以產(chǎn)生電擊或火花，并可能因意外接觸導(dǎo)致組件損壞。
• 負(fù)載連接：在最大負(fù)載電流下，連接負(fù)載的電線尺寸和長度變得很重要，建議使用至少12號的電線來承載30A的電流。當(dāng)配置為單高電流輸出時，建議從每個輸出引腳到負(fù)載使用等長的12號電線。

三、輸出配置與連接啟動

1. 輸出配置

在通電之前，需要根據(jù)需求設(shè)置跳線。評估板最初發(fā)貨時，跳線A - B就位，將其配置為獨立輸出，即OUT1為2.5V，OUT2為3.3V。若要配置為單個3.3V高電流輸出，則需要移除跳線A - B，并在B - C、D - E和F - G位置安裝跳線。同時，輸出引腳J6和J8以及J5和J7需要在負(fù)載處連接在一起。

2. 連接與啟動

當(dāng)任一通道的負(fù)載電流超過15A時，需要強(qiáng)制空氣流動。輸入連接到端子J1（+）和J4（ - ），電源必須能夠提供如圖8或圖9所示的輸入電流。由于LM5034的軟啟動功能，通電時輸入電流增加幾乎沒有過沖。當(dāng)配置為單獨輸出時，3.3V負(fù)載連接到J6（+）和J5（ - ），2.5V負(fù)載連接到J8（+）和J7（ - ）；當(dāng)配置為單個3.3V高電流輸出時，輸出引腳J6和J8（+）以及J5和J7（ - ）在負(fù)載處連接在一起。

四、性能與波形分析

1. 性能指標(biāo)

• 輸出阻抗：配置為單獨輸出時，每個輸出的輸出阻抗小于5 mΩ；配置為單高電流輸出時，輸出阻抗小于2.5 mΩ。
• 線性調(diào)節(jié)：在36V至78V的輸入范圍內(nèi)，所有負(fù)載電流下的線性調(diào)節(jié)小于0.01%（4 mV）。
• 功率轉(zhuǎn)換效率：最高可達(dá)94%。

2. 波形分析

從圖7中的波形可以看出，3.3V通道的初級側(cè)開關(guān)（Q1）在時間t1導(dǎo)通，占空比（t1/5μs）由輸入和輸出電壓以及變壓器的12:2匝數(shù)比決定。有源鉗位開關(guān)（Q2）在t1期間關(guān)閉，在Q1關(guān)閉期間導(dǎo)通。CS2是由T1及其相關(guān)組件提供給CS2引腳的電流信息，其幅度V3由初級側(cè)電流決定，反映了負(fù)載電流。T3次級的電壓顯示為V5和V6，在L2的輸入處，V5的平均值為3.3V，即輸出電壓。2.5V通道的初級側(cè)開關(guān)（Q3）在時間t2導(dǎo)通，由于輸出電壓較低，Q3的占空比小于Q1的占空比，且Q3的導(dǎo)通時間比Q1的導(dǎo)通時間晚2.5 μs，因為兩個信號相差180°。

五、工作原理詳解

1. 初級側(cè)操作

在3.3V通道中，初級側(cè)開關(guān)（Q1）由LM5034的OUT2引腳驅(qū)動，占空比由輸入和輸出電壓以及變壓器的12:2匝數(shù)比決定。占空比控制由COMP2處的電壓反饋和CS2處的電流信息提供。有源鉗位開關(guān)（Q2）在Q1導(dǎo)通期間關(guān)閉，反之亦然，由AC2引腳控制。OUT2和AC2之間的重疊時間（確保Q1和Q2導(dǎo)通時間之間的死區(qū)時間）由引腳1處的R7設(shè)置為45 ns。

2. 次級側(cè)操作

在3.3V通道中，當(dāng)Q1導(dǎo)通時，T3的引腳4相對于引腳3為正，Q5和Q6導(dǎo)通，將引腳3接地，迫使Q7和Q8關(guān)閉。電流從T3的引腳4流出，通過L2、負(fù)載到地，再通過Q5和Q6回到T3的引腳3。當(dāng)Q1關(guān)閉時，T3的引腳3相對于引腳4為正，Q7和Q8導(dǎo)通，將引腳4接地，Q5和Q6關(guān)閉，阻止T3次級繞組中的電流流動。L2中的電流通過負(fù)載到地，再通過Q7和Q8回到L2，保持不間斷。

3. 反饋電路

單3.3V通道的電壓反饋電路中，U5提供的4.096V（±0.5%）參考電壓通過R28和R29分壓至2.5V，提供給誤差放大器U3。3.3V輸出電壓通過R31和R34分壓至2.5V，提供給U3的反相輸入。誤差放大器的輸出控制光耦的LED電流，以控制LM5034的COMP2輸入電壓。由T1、D1和R15產(chǎn)生的代表初級側(cè)電流的斜坡信號通過R16/C20濾波器提供給CS2引腳。在內(nèi)部，CS2和COMP2處的信號在PWM比較器處組合，以在OUT2處產(chǎn)生適當(dāng)?shù)恼伎毡?，并傳輸?shù)诫娫醋儔浩鳎═3）。

4. 電流限制操作

如果負(fù)載電流超過電流限制值，在相應(yīng)的CS引腳處被檢測到，主驅(qū)動器輸出脈沖（在OUT1或OUT2處）將立即終止。如果高電流故障持續(xù)存在，控制器將在逐周期電流限制模式下以恒定的峰值開關(guān)電流運行。當(dāng)LM5034檢測到重復(fù)的電流限制事件時，RES引腳處的電壓會升高。當(dāng)該引腳的電壓達(dá)到2.55V時，電流限制重啟電路激活，通過將軟啟動引腳接地來禁用兩個穩(wěn)壓器。經(jīng)過短暫的傳播延遲后，軟啟動引腳由內(nèi)部1 μA電流源充電。當(dāng)軟啟動引腳使COMP引腳達(dá)到約1.5V時，輸出驅(qū)動器啟用，軟啟動電流源增加到50 μA。如果電流故障已清除，輸出占空比將增加到調(diào)節(jié)所需的值，軟啟動引腳飽和在5V；如果電流故障仍然存在，則上述循環(huán)重復(fù)。

六、其他功能介紹

1. 開/關(guān)輸入

將開/關(guān)輸入（J2）強(qiáng)制拉低至1.25V以下會關(guān)閉LM5034和兩個開關(guān)穩(wěn)壓器。在此模式下，輸出被禁用，VCC穩(wěn)壓器也停止工作，整個電路消耗約1 mA的電流。釋放開/關(guān)輸入引腳后，兩個穩(wěn)壓器將通過正常的軟啟動序列上電。

2. 同步輸入

LM5034可以通過將外部頻率施加到SYNC輸入引腳（J3）來同步到該外部頻率。同步頻率必須比用RT電阻（400 kHz，引腳20處的R8）設(shè)置的振蕩器自由運行頻率至少高4%，但小于自由運行頻率的兩倍。外部施加的脈沖寬度必須在15至150 ns之間，幅度相對于輸入接地（J4）在1.8V至3.0V之間。在此模式下，R8必須保持原位。

七、總結(jié)

LM5034評估板為電源設(shè)計工程師提供了一個功能強(qiáng)大、靈活配置的平臺。通過其獨特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、可調(diào)節(jié)的參數(shù)以及高效的功率轉(zhuǎn)換性能，能夠滿足不同電源設(shè)計的需求。在使用過程中，需要注意布局、探測、輸出配置和連接啟動等方面的細(xì)節(jié)，以確保評估板的正常運行和性能發(fā)揮。希望本文能為廣大電子工程師在電源設(shè)計方面提供一些有價值的參考。你在使用類似評估板時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。