探索 LM5165EVM - HD - C50X EVM：高性能同步降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器評(píng)估模塊

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一款優(yōu)秀的評(píng)估模塊對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)就像是一把精準(zhǔn)的手術(shù)刀，能夠幫助我們深入了解和評(píng)估芯片的性能。今天，我們就來(lái)詳細(xì)探討一下德州儀器（Texas Instruments）的 LM5165EVM - HD - C50X 高密評(píng)估模塊（EVM）。

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一、模塊概述

LM5165EVM - HD - C50X EVM 專(zhuān)為展示 LM5165 高性能、超小尺寸的同步降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器而設(shè)計(jì)。該轉(zhuǎn)換器具有超低的無(wú)負(fù)載電源電流，模塊采用微型封裝，元件數(shù)量少，能在 3V 至 65V 的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，提供固定的 5V 輸出，且設(shè)定點(diǎn)精度優(yōu)于 2%。當(dāng)輸入電壓低于輸出電壓設(shè)定點(diǎn)時(shí)，高端 MOSFET 以 100%占空比導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)低壓差性能。憑借 LM5165 的恒定導(dǎo)通時(shí)間（COT）控制方案和輕載時(shí)的二極管仿真模式，在 24V 輸入下無(wú)負(fù)載電源電流僅為 12μA。

典型應(yīng)用場(chǎng)景

• 傳感器供電：適用于 2/3/4 線(xiàn)傳感器電源，為傳感器提供穩(wěn)定的電力支持。
• 高壓 LDO 替代：可替代傳統(tǒng)的高壓 LDO，提供更高效的電源解決方案。
• 過(guò)程控制：在工業(yè)過(guò)程控制中，確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。
• 樓宇自動(dòng)化和 HVAC 系統(tǒng)：為這些系統(tǒng)提供可靠的電源。
• 通用偏置電源：滿(mǎn)足各種通用設(shè)備的偏置電源需求。
• 汽車(chē)和電池供電設(shè)備：具備 AEC - Q100 Q1 級(jí)汽車(chē)認(rèn)證，可在汽車(chē)和電池供電環(huán)境中可靠工作。

特性與電氣性能

• 輸出電壓：緊密調(diào)節(jié)的 5V 輸出，設(shè)定點(diǎn)精度為 2%。
• 輸入電壓范圍：3V 至 65V 的寬輸入電壓工作范圍。
• 負(fù)載電流：滿(mǎn)負(fù)載電流可達(dá) 150mA。
• 轉(zhuǎn)換效率：在寬負(fù)載電流范圍內(nèi)具有超高的功率轉(zhuǎn)換效率，例如在 (V{IN}=12V) 和 24V 時(shí)，滿(mǎn)載效率分別為 91%和 88.5%，在 (V{IN}=12V) 且負(fù)載電流高于 1mA 時(shí)，效率大于 85%。
• 無(wú)負(fù)載電源電流：在 (V_{IN}=24V) 時(shí)，無(wú)負(fù)載電源電流僅為 12μA。
• 控制架構(gòu)：恒定導(dǎo)通時(shí)間（COT）控制架構(gòu)提供快速的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，元件數(shù)量少，無(wú)需環(huán)路補(bǔ)償元件，開(kāi)關(guān)頻率幾乎恒定，可通過(guò)電阻設(shè)置，自然自動(dòng)將占空比擴(kuò)展到 100%，以在低壓差應(yīng)用中保持調(diào)節(jié)。
• 集成 MOSFET：集成高端和低端功率 MOSFET，2Ω PMOS 降壓開(kāi)關(guān)支持 100%占空比以實(shí)現(xiàn)低壓差電壓，1Ω NMOS 同步整流器消除了外部肖特基二極管。
• 電流限制：峰值電感電流限制設(shè)定為 240mA（ILIM 引腳接地）。
• 軟啟動(dòng)：用戶(hù)可調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)斜坡時(shí)間，通過(guò) SS 引腳的 47nF 電容設(shè)定為 6ms，也可選擇內(nèi)部 0.9ms 軟啟動(dòng)時(shí)間（SS 引腳開(kāi)路）或無(wú)軟啟動(dòng)（使用 100kΩ 電阻將 SS 引腳連接到地以實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)能力）。
• 使能和 PGOOD 端子：ENABLE 和 PGOOD 端子分別具有 10MΩ 和 10kΩ 上拉電阻連接到 (V{IN}) 和 (V{OUT})。
• 輸入 UVLO：電阻可編程輸入欠壓鎖定（UVLO），具有可定制的滯后，內(nèi)部設(shè)定開(kāi)啟和關(guān)閉電壓分別為 2.75V 和 2.45V。
• 輸入電路：輸入電路的并聯(lián) RC 阻尼可適應(yīng)高 Q 電感供電線(xiàn)路。
• PCB 布局：完全組裝、測(cè)試和驗(yàn)證的 PCB 布局，總尺寸為 15mm x 12mm。

二、性能規(guī)格

輸入特性

• 輸入電壓范圍：工作范圍為 3V 至 65V。
• 輸入電壓開(kāi)啟和關(guān)閉：開(kāi)啟電壓 (V{IN(ON)}) 內(nèi)部設(shè)定為 2.75V，可通過(guò) EN/UVLO 電阻進(jìn)行調(diào)整；關(guān)閉電壓 (V{IN(OFF)}) 為 2.45V，輸入電壓滯后 (V_{IN(HYS)}) 為 0.3V。
• 無(wú)負(fù)載輸入電流：在不同輸入電壓下，無(wú)負(fù)載輸入電流不同，如 (V{IN}=12V) 時(shí)為 14.5μA，(V{IN}=24V) 時(shí)為 12.5μA，(V_{IN}=65V) 時(shí)為 11.5μA。
• 禁用輸入電流：當(dāng) (V{ENABLE}=0V) 且 (V{IN}=12V) 時(shí)，輸入電流為 5μA。

輸出特性

• 輸出電壓：默認(rèn)輸出電壓為 5V（固定），當(dāng) (V{IN}<5.2V) 時(shí)，(V{OUT}) 跟蹤 (V_{IN})，輸出電壓范圍為 4.9V 至 5.1V。
• 輸出電流：輸出電流范圍為 0 至 150mA。
• 負(fù)載調(diào)節(jié)：負(fù)載電流從 0mA 到 150mA 變化時(shí)，負(fù)載調(diào)節(jié)率為 0.5%。
• 輸出電壓調(diào)節(jié)：線(xiàn)路調(diào)節(jié)率在 (V_{IN}=5.5V) 至 65V 范圍內(nèi)為 0.5%。
• 輸出電壓紋波：在 (V{IN}=12V) 且 (I{OUT}=150mA) 時(shí)，輸出電壓紋波為 25mVrms。
• 輸出過(guò)流保護(hù)：在 (V_{IN}=12V) 時(shí)，輸出過(guò)流保護(hù)電流為 200mA。
• 軟啟動(dòng)時(shí)間：軟啟動(dòng)時(shí)間為 6ms。

系統(tǒng)特性

• 開(kāi)關(guān)頻率：在 (V_{IN}=12V) 時(shí)，標(biāo)稱(chēng)開(kāi)關(guān)頻率為 240kHz。
• 效率：半負(fù)載效率在不同輸入電壓下有所不同，如 (V{IN}=12V) 且 (I{OUT}=75mA) 時(shí)為 92.0%；滿(mǎn)載效率在不同輸入電壓下也不同，如 (V{IN}=12V) 且 (I{OUT}=150mA) 時(shí)為 90.7%，(V_{IN}=24V) 時(shí)為 88.4%等。
• 結(jié)溫范圍：LM5165 的結(jié)溫范圍為 - 40°C 至 150°C。

三、電路原理圖與布局

應(yīng)用電路原理圖

提供了兩種 COT 控制的降壓轉(zhuǎn)換器原理圖，一種是固定輸出 3.3V 或 5V 的最小元件數(shù)原理圖，另一種是可通過(guò)反饋電阻調(diào)節(jié)輸出電壓的原理圖。同時(shí)，還展示了軟啟動(dòng)、電流限制和 UVLO 等可根據(jù)具體應(yīng)用配置的元件。

PCB 布局

包括頂層銅層、第二層、第三層和底層銅層的布局圖，以及頂層和底層的組裝圖，為工程師提供了詳細(xì)的 PCB 設(shè)計(jì)參考。

四、測(cè)試設(shè)置與步驟

測(cè)試設(shè)置

• EVM 連接：明確了 VIN、GND、VOUT、ENABLE 和 PGOOD 等引腳的連接方式。
• 測(cè)試設(shè)備：需要 0 - 65V 可變直流電源、輸入阻抗為 1GΩ 的電壓表、1 秒孔徑時(shí)間的電流表、0 - 300mAdc 的電子負(fù)載和 20MHz 帶寬的示波器等設(shè)備。
• 推薦測(cè)試設(shè)置：輸入連接時(shí)，先將直流輸入源電流限制在 200mA 以?xún)?nèi)，初始設(shè)置為 0V，連接到 VIN 和 GND 點(diǎn)，若使用長(zhǎng)輸入線(xiàn)，建議添加高 ESR、低泄漏的輸入大容量電容；輸出連接時(shí)，將電子負(fù)載連接到 VOUT 和 GND 點(diǎn)，設(shè)置為恒阻或恒流模式，初始電流為 0mAdc。

測(cè)試步驟

• 線(xiàn)路和負(fù)載調(diào)節(jié)、效率測(cè)試：按照上述設(shè)置搭建 EVM，將負(fù)載設(shè)置為恒阻或恒流模式，初始電流為 0mAdc，將輸入源從 0V 增加到 12V，測(cè)量輸入電壓；改變負(fù)載電流從 0 到 150mAdc，測(cè)量輸出電壓，確保其在負(fù)載調(diào)節(jié)規(guī)格范圍內(nèi)；改變輸入源電壓從 5.5V 到 65V，確保輸出電壓在線(xiàn)路調(diào)節(jié)規(guī)格范圍內(nèi)；最后將負(fù)載減小到 0mA，輸入源電壓減小到 0V。

五、測(cè)試數(shù)據(jù)與性能曲線(xiàn)

轉(zhuǎn)換效率

展示了不同輸入電壓下，轉(zhuǎn)換器效率隨輸出電流變化的曲線(xiàn)，直觀(guān)地反映了轉(zhuǎn)換器在不同工況下的效率表現(xiàn)。

負(fù)載調(diào)節(jié)

給出了不同輸入電壓下，輸出電壓隨輸出電流變化的曲線(xiàn)，體現(xiàn)了模塊的負(fù)載調(diào)節(jié)能力。

工作波形

包括開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓、輸出電壓紋波、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)、啟動(dòng)波形、ENABLE 開(kāi)關(guān)波形以及汽車(chē)?yán)鋯?dòng)輸入電壓瞬變波形等，幫助工程師深入了解模塊在不同工作狀態(tài)下的性能。

EMI 性能

根據(jù) CISPR 22 和 CISPR 25 規(guī)范，展示了模塊在不同頻率范圍內(nèi)的傳導(dǎo)發(fā)射性能，包括未濾波和濾波后的情況，并給出了滿(mǎn)足規(guī)范限制的 EMI 輸入濾波器建議。

六、總結(jié)

LM5165EVM - HD - C50X EVM 是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)異的評(píng)估模塊，為工程師提供了一個(gè)全面了解和評(píng)估 LM5165 同步降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的平臺(tái)。其寬輸入電壓范圍、高轉(zhuǎn)換效率、低無(wú)負(fù)載電源電流等特性，使其在多種應(yīng)用場(chǎng)景中具有廣泛的應(yīng)用前景。通過(guò)詳細(xì)的測(cè)試設(shè)置和步驟，以及豐富的測(cè)試數(shù)據(jù)和性能曲線(xiàn)，工程師可以更好地掌握模塊的性能，為實(shí)際設(shè)計(jì)提供有力的支持。大家在使用這款評(píng)估模塊時(shí)，有沒(méi)有遇到過(guò)什么特別的問(wèn)題或者有趣的發(fā)現(xiàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享。