AN-2115 LM5046評估板：電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的有力工具

作為電子工程師，在電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)中，選擇合適的評估板至關(guān)重要。今天就來和大家詳細(xì)探討一下TI的AN - 2115 LM5046評估板，它能為我們提供基于移相全橋拓?fù)涞娜δ茈娫崔D(zhuǎn)換器，從而評估LM5046 PWM控制器的性能。

文件下載：LM5046EVAL/NOPB.pdf

評估板基本信息

性能參數(shù)亮點(diǎn)

LM5046評估板采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的1/4磚尺寸，性能非常出色。其輸入工作范圍為36V至75V，輸出電壓穩(wěn)定在3.3V。在48V輸入時(shí)，30A負(fù)載下效率可達(dá)92%，這一效率在同類產(chǎn)品中相當(dāng)有競爭力。工作頻率為420kHz，這個(gè)頻率是在電路板尺寸和效率之間取得的良好折衷。板載尺寸是2.28×1.45×0.5英寸，負(fù)載調(diào)整率為0.2%，線性調(diào)整率為0.1%，還具備34V/32V的欠壓鎖定（UVLO）和打嗝模式電流限制功能。

電路板設(shè)計(jì)

該評估板的印刷電路板為6層結(jié)構(gòu)，外層采用2盎司銅，內(nèi)層采用3盎司銅，基于FR4材料，總厚度為0.062英寸。設(shè)計(jì)上可在<40°C的額定負(fù)載下連續(xù)運(yùn)行，并且需要最小200 LFM的氣流。大家在實(shí)際使用中，一定要注意散熱條件是否滿足要求，不然可能會影響評估板的性能和壽命。

工作原理剖析

移相全橋（PSFB）拓?fù)?/h3>

PSFB拓?fù)涫墙?jīng)典全橋拓?fù)涞难苌?dāng)適當(dāng)調(diào)諧時(shí)，能實(shí)現(xiàn)初級FET的零電壓開關(guān)（ZVS），同時(shí)保持恒定的開關(guān)頻率。ZVS特性非常重要，它能顯著降低開關(guān)損耗和電磁干擾（EMI）排放。在PSFB拓?fù)渲校β蕚鬏斈Ｊ脚c硬開關(guān)全橋類似，當(dāng)橋?qū)堑腇ET（Q1和Q3或Q2和Q4）導(dǎo)通時(shí)，啟動(dòng)功率傳輸周期。在功率傳輸周期結(jié)束時(shí)，PWM根據(jù)相位關(guān)閉開關(guān)Q3或Q4，脈沖寬度由輸入和輸出電壓以及變壓器匝數(shù)比決定。在續(xù)流模式下，與經(jīng)典全橋不同，PSFB拓?fù)渫ㄟ^交替激活頂部FET（Q1和Q4）或底部FET（Q2和Q3）來短路電源變壓器的初級。這種使用兩個(gè)象限的方式能更好地利用磁芯，與單端拓?fù)湎啾?，可減小磁芯體積，同時(shí)初級FET的ZVS也能降低EMI。

次級同步整流

評估板的次級采用同步整流方案，由LM5046控制。除了基本的軟啟動(dòng)功能外，LM5046還包含第二個(gè)軟啟動(dòng)功能，可逐漸將同步整流器開啟到穩(wěn)態(tài)占空比。這個(gè)功能能確保在次級誤差放大器軟啟動(dòng)之前，同步整流器保持關(guān)閉，從而即使在預(yù)偏置負(fù)載下也能實(shí)現(xiàn)輸出電壓的線性啟動(dòng)。然后逐漸增加SR輸出占空比，以防止由于同步MOSFET的體二極管和溝道電阻之間的電壓降差異而導(dǎo)致的輸出電壓干擾。輸出反饋通過放大器和參考進(jìn)行處理，生成誤差電壓，再通過光耦耦合回初級側(cè)控制。評估板采用峰值電流模式控制，并使用標(biāo)準(zhǔn)的“II型”網(wǎng)絡(luò)作為補(bǔ)償器。大家在理解電路原理時(shí)，要重點(diǎn)關(guān)注這些關(guān)鍵部分的協(xié)同工作機(jī)制。

供電與負(fù)載注意事項(xiàng)

正確連接

在低輸入電壓下，評估板滿載時(shí)電流可達(dá)3.5A，最大額定輸出電流為30A。所以在連接電源和負(fù)載時(shí)，一定要選擇合適的連接器和電線尺寸。同時(shí)要直接在評估板的輸出端子處監(jiān)測電壓，因?yàn)樨?fù)載連接線上的電壓降會導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確，這在精確測量效率時(shí)尤為重要。大家在實(shí)際操作中，有沒有遇到過因?yàn)檫B接不當(dāng)導(dǎo)致測量誤差的情況呢？

電源要求

評估板可視為恒定功率負(fù)載，低輸入線電壓（36V）時(shí)輸入電流可達(dá)3.5A，高輸入線電壓（72V）時(shí)輸入電流約為1.5A。因此，要全面測試評估板，需要一個(gè)至少能提供85V和4A的直流電源，且電源必須具備電壓和電流調(diào)節(jié)功能。電源和電纜對評估板的阻抗要低，否則在電源應(yīng)用和評估板浪涌電流期間，可能會出現(xiàn)電壓下降，導(dǎo)致上電時(shí)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象。

負(fù)載選擇

合適的電子負(fù)載應(yīng)能在最低3.0V的電壓下正常工作，最大負(fù)載電阻為0.11Ω。由于輸出電流大，需要使用粗電纜。如果使用電阻排，要確保其功率和電流額定值能滿足30A、100W電源的要求，同時(shí)要時(shí)刻監(jiān)測電流和電壓，并為負(fù)載提供足夠的冷卻。

氣流要求

在對評估板進(jìn)行滿載測試時(shí)，必須提供200 LFM的氣流，可使用獨(dú)立風(fēng)扇來滿足這一要求。如果散熱條件不達(dá)標(biāo)，可能會導(dǎo)致評估板性能下降甚至損壞。

上電操作

首次上電時(shí)，建議保持低負(fù)載，并將電源的電流限制設(shè)置為負(fù)載功率的1.5倍左右。一旦向評估板提供了合適的輸入電壓，就要檢查輸出是否為3.3V。如果電源設(shè)置的電流限制不足以滿足負(fù)載需求，可能會導(dǎo)致類似高源阻抗的問題，進(jìn)而引發(fā)振蕩或抖動(dòng)，造成不良后果?？焖龠M(jìn)行效率檢查是確認(rèn)一切正常運(yùn)行的最佳方法，因?yàn)?a target="_blank">開關(guān)電源中任何參數(shù)的不正確都可能導(dǎo)致?lián)p耗和潛在的過熱。

過流保護(hù)與性能特性

過流保護(hù)

評估板配置了打嗝式過流保護(hù)功能。當(dāng)輸出過載（約38A）時(shí)，單元會對SS電容放電，從而禁用功率級。經(jīng)過由RES電容編程的延遲后，釋放SS電容。如果過載情況持續(xù)，這個(gè)過程會重復(fù)進(jìn)行。這樣在連續(xù)過載條件下，轉(zhuǎn)換器會進(jìn)入一系列短脈沖和休眠時(shí)間的循環(huán)，休眠時(shí)間可降低功率轉(zhuǎn)換器在此條件下的平均輸入電流，使其有時(shí)間冷卻。

性能特性指標(biāo)

電路正常上電運(yùn)行后，輸出電壓可調(diào)節(jié)至3.3V，精度由反饋電阻和電壓參考確定。軟啟動(dòng)電容值和其他組件可在短時(shí)間內(nèi)使輸出電壓最小，直到反饋回路穩(wěn)定且無過沖。在不同輸入電壓和負(fù)載條件下，評估板展現(xiàn)出了良好的效率、瞬態(tài)響應(yīng)和輸出紋波特性。通過觀察各種波形圖，我們可以更直觀地了解評估板在不同工況下的性能表現(xiàn)。

物料清單與PCB布局

物料清單

文檔中詳細(xì)列出了評估板的物料清單，包括各種電容、電阻、二極管、晶體管、變壓器、集成電路等元件的型號、規(guī)格和制造商。這為我們進(jìn)行元件替換或進(jìn)一步開發(fā)提供了重要參考。大家在進(jìn)行元件選型時(shí)，一定要嚴(yán)格按照清單中的規(guī)格要求，避免因元件不匹配導(dǎo)致電路性能下降。

PCB布局

文檔還提供了評估板的PCB布局圖，包括頂層組件、底層組件以及各層的詳細(xì)布局。合理的PCB布局對于減少電磁干擾、提高電路性能至關(guān)重要。我們可以從這些布局圖中學(xué)習(xí)到如何進(jìn)行電源電路的PCB設(shè)計(jì)，例如如何合理安排元件位置、如何進(jìn)行布線以減少干擾等。

總之，AN - 2115 LM5046評估板是一款功能強(qiáng)大、性能出色的電源評估板，為我們在電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)中提供了很好的參考和實(shí)踐平臺。希望通過今天的分享，能讓大家對這款評估板有更深入的了解，在實(shí)際設(shè)計(jì)中能更好地發(fā)揮其作用。大家在使用這款評估板的過程中，有沒有遇到什么有趣的問題或者有什么獨(dú)特的見解呢？歡迎在評論區(qū)交流討論。