深入剖析LM5115A評(píng)估板：特性、原理與應(yīng)用

一、引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理模塊的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。LM5115A評(píng)估板作為一款重要的電源管理工具，為工程師們提供了一個(gè)典型的二次側(cè)后級(jí)調(diào)節(jié)（SSPR）輸出應(yīng)用電路。它與現(xiàn)有的有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器配合使用，能在電源啟動(dòng)和關(guān)閉過(guò)程中實(shí)現(xiàn)輸出電壓的跟蹤。

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二、評(píng)估板規(guī)格

輸入輸出參數(shù)

該評(píng)估板的輸入電壓范圍為36V至72V，在LM5025A上標(biāo)稱(chēng)值為48V。主輸出電壓標(biāo)稱(chēng)值為3.3V，輸出電流范圍是0至30A，電流限制約為30A；次級(jí)輸出電壓為2.5V，輸出電流范圍是0至9A，電流限制約為10A。在僅考慮次級(jí)的情況下，測(cè)量效率在36V、負(fù)載電流為1A時(shí)達(dá)到98%，在48V、負(fù)載電流為4A時(shí)為93%。負(fù)載調(diào)節(jié)方面，在36V至72V的輸入電壓范圍內(nèi)，從1A到7A負(fù)載變化時(shí)，電壓變化僅為2mV。

電路板設(shè)計(jì)

印刷電路板采用FR4材料，有4層2盎司銅，厚度為0.050英寸。它設(shè)計(jì)用于在額定負(fù)載下連續(xù)運(yùn)行，最小氣流要求為200LFPM。這樣的設(shè)計(jì)保證了電路板在工作過(guò)程中的穩(wěn)定性和散熱性能。大家是否在設(shè)計(jì)電路板時(shí)也會(huì)如此關(guān)注散熱和材料選擇呢？

三、工作原理

SSPR技術(shù)

LM5115A控制器運(yùn)用二次側(cè)后級(jí)調(diào)節(jié)（SSPR）技術(shù)，能從隔離式電源轉(zhuǎn)換器的二次側(cè)開(kāi)關(guān)波形中開(kāi)發(fā)出高效且穩(wěn)定的輔助輸出。這種技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)高效輸出的呢？其實(shí)，它利用變壓器二次繞組的主脈沖信號(hào)進(jìn)行同步，通過(guò)電阻R2和R4感應(yīng)脈沖信號(hào)，形成內(nèi)部同步電流信號(hào)。

PWM控制

LM5115A采用前沿脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制降壓功率級(jí)。前沿調(diào)制通過(guò)延遲主脈沖信號(hào)的上升沿，控制LM5115A高端柵極驅(qū)動(dòng)器，從而建立調(diào)節(jié)SSPR輸出所需的電壓 - 秒積。這里的PWM控制策略對(duì)輸出電壓的穩(wěn)定性起到了關(guān)鍵作用，大家在實(shí)際應(yīng)用中有沒(méi)有遇到過(guò)PWM控制相關(guān)的問(wèn)題呢？

偏置與自適應(yīng)死區(qū)控制

偏置來(lái)自整流脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)幅度隨輸入電壓從36V到72V變化，在6Vpp至12Vpp之間。Vcc穩(wěn)壓器在峰 - 峰電壓略高于7.5V時(shí)才會(huì)將電壓穩(wěn)定在7V。自適應(yīng)死區(qū)控制則通過(guò)延遲上下驅(qū)動(dòng)器，避免直通電流，提高了電路的安全性和效率。

四、電路板布局與探測(cè)

布局與組件

圖1、圖2和圖3展示了LM5115A評(píng)估板與LM5025A板配合使用時(shí)的電路板布局、主要組件和關(guān)鍵探測(cè)點(diǎn)。在給電路板通電前，需要注意以下幾點(diǎn)：

1. 主輸入電源（36V至72V）分別連接到LM5025A板的J1和J4點(diǎn)，對(duì)應(yīng)VIN和GND。
2. 主要載流組件（如LM5115A板的L1、Q1和Q2，LM5025A板的L2、Q3 - Q6）在最大負(fù)載電流時(shí)會(huì)發(fā)熱，操作時(shí)需小心。當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)5A時(shí)，需要使用風(fēng)扇提供強(qiáng)制氣流。
3. 連接負(fù)載的電線直徑和長(zhǎng)度很重要，建議使用至少14號(hào)規(guī)格的電線，以確保電線中不會(huì)有顯著的電壓降。

五、連接與啟動(dòng)

電源連接

輸入電源連接到LM5025A評(píng)估板的J1（+）和J4（ - ）端子。輸入源必須能夠?yàn)長(zhǎng)M5025A板和LM5115A板的負(fù)載供電。LM5115A的輸入由LM5025A板的二次繞組提供，J7（LM5025A）連接到J1（LM5115A），J10（LM5025A）連接到J2（LM5115A）。

負(fù)載連接

主負(fù)載連接到LM5025A的J9（+）和J5（ - ）端子，LM5115A的負(fù)載連接到J3（+）和J4（ - ）端子。啟動(dòng)前，應(yīng)在輸入和輸出端子連接電壓表，并使用電流表或電流探頭監(jiān)測(cè)輸入電流。

跟蹤功能

為了實(shí)現(xiàn)正確的電源啟動(dòng)/關(guān)閉跟蹤序列，需要將LM5025A的J9（+）端子連接到LM5115A的TP1端子。若要禁用跟蹤功能，需從LM5115A評(píng)估板上移除R21和R22，并添加軟啟動(dòng)電容C2（0.1μF）。

六、性能表現(xiàn)

各項(xiàng)性能指標(biāo)

評(píng)估板的性能可以通過(guò)多個(gè)方面來(lái)體現(xiàn)：

1. 功率轉(zhuǎn)換效率：如圖4和圖5所示，展示了系統(tǒng)效率和二次側(cè)調(diào)整效率與負(fù)載電流和輸入電壓的關(guān)系。
2. 負(fù)載調(diào)節(jié)：圖6展示了輸出與負(fù)載電流和輸入電壓的關(guān)系。
3. 二次側(cè)閉環(huán)頻率響應(yīng)：圖7呈現(xiàn)了相關(guān)的頻率響應(yīng)特性。
4. 代表性波形：圖8展示了代表性波形，有助于工程師分析電路的工作狀態(tài)。
5. 柵極延遲：圖9和圖10分別展示了柵極開(kāi)啟和關(guān)閉延遲。
6. 短路響應(yīng)：圖11展示了二次輸出短路響應(yīng)。
7. 階躍負(fù)載響應(yīng)：圖12和圖13展示了階躍負(fù)載響應(yīng)情況。
8. 電源啟動(dòng)/關(guān)閉跟蹤：圖14和圖15展示了啟動(dòng)和關(guān)閉響應(yīng)。
9. 輸出電壓紋波：圖16展示了輸出電壓紋波情況。

VCC輸出

LM5115A產(chǎn)生一個(gè)7V的LDO穩(wěn)壓輸出（VCC），可提供高達(dá)40mA的直流電流。VCC穩(wěn)壓器為低端MOSFET的高電流柵極驅(qū)動(dòng)和高端MOSFET驅(qū)動(dòng)器的自舉電容供電。

七、電流限制操作

平均電流限制

電感電流通過(guò)電阻R8進(jìn)行感應(yīng)，電阻值設(shè)計(jì)為電流限制約10A。LM5115A有兩個(gè)電流限制放大器，監(jiān)測(cè)R8上的感應(yīng)電流信號(hào)。慢電流限制放大器在設(shè)定的電流限制點(diǎn)提供恒流操作，當(dāng)電流感應(yīng)輸入電壓超過(guò)45mV時(shí)，通過(guò)CO引腳逐漸拉低COMP引腳電壓，降低工作占空比，實(shí)現(xiàn)恒流控制。

逐周期電流限制

該評(píng)估板也可配置為逐周期電流限制模式。當(dāng)R8上的電壓超過(guò)45mV時(shí)，CO引腳通過(guò)二極管D6將SYNC引腳拉至地，使高端MOSFET瞬間關(guān)斷，終止導(dǎo)通脈沖。但需要注意的是，只有當(dāng)主電源采用電壓模式（或帶前饋的電壓模式）控制回路方案時(shí)，才能使用逐周期電流限制，否則會(huì)出現(xiàn)振蕩。

折返電流限制

通過(guò)R17、R18、C10、D5和R16等組件可以實(shí)現(xiàn)電流限制折返。在標(biāo)稱(chēng)輸出電壓（VOUT = 2.5V）時(shí)，D5反向偏置，電流限制閾值仍約為45mV；在較低輸出電壓時(shí)，電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)和正向偏置的二極管（D5）會(huì)增加R16上的電壓，從而降低電流限制，實(shí)現(xiàn)電流限制折返。

八、輸出紋波測(cè)量

準(zhǔn)確測(cè)量輸出紋波和噪聲較為困難。為了獲得最準(zhǔn)確的結(jié)果，應(yīng)盡可能靠近轉(zhuǎn)換器的輸出端子進(jìn)行測(cè)量。由于測(cè)量信號(hào)處于毫伏級(jí)且測(cè)量帶寬較高，測(cè)量設(shè)置容易受到外部噪聲的干擾，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果失真。因此，建議使用非常短且直接的連接到示波器探頭，使信號(hào)和接地連接的總環(huán)路面積盡可能小，并限制示波器的帶寬。

九、總結(jié)

LM5115A評(píng)估板為工程師提供了一個(gè)功能強(qiáng)大且穩(wěn)定的電源管理解決方案。通過(guò)深入了解其規(guī)格、工作原理、布局、連接、性能和電流限制操作等方面，工程師可以更好地應(yīng)用該評(píng)估板，滿足不同電子系統(tǒng)的電源需求。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，大家是否還遇到過(guò)其他與電源管理相關(guān)的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。