深入解析LM5085評估板：設(shè)計(jì)、性能與應(yīng)用

在電子工程師的日常工作中，一款優(yōu)秀的評估板能夠?yàn)?a target="_blank">電路設(shè)計(jì)與測試提供極大的便利。今天，我們就來深入了解一下TI的LM5085評估板，看看它在實(shí)際應(yīng)用中究竟有哪些特點(diǎn)和優(yōu)勢。

文件下載：LM5085EVAL/NOPB.pdf

評估板概述

LM5085評估板為設(shè)計(jì)工程師提供了一個(gè)功能完備的降壓調(diào)節(jié)器，它采用了LM5085 PFET開關(guān)控制器，基于恒定導(dǎo)通時(shí)間（COT）工作原理。該評估板可在5.5V至55V的輸入電壓范圍內(nèi)提供5V的輸出電壓，能夠提供高達(dá)4.5A的負(fù)載電流，電流限制設(shè)定約為7.6A。

主要規(guī)格參數(shù)

• 輸入電壓：5.5V - 55V，最大60V
• 輸出電壓：5V
• 最大負(fù)載電流：當(dāng)輸入電壓大于8V時(shí)為4.5A
• 最小負(fù)載電流：0A
• 電流限制閾值：約7.6A
• 測量效率：在輸入電壓為5.5V、輸出電流為0.6A時(shí)，效率可達(dá)97.2%
• 標(biāo)稱開關(guān)頻率：300kHz
• 尺寸：3.1英寸 x 1.5英寸 x 0.78英寸

工作原理

導(dǎo)通時(shí)間的確定

當(dāng)電路處于調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)，PGATE輸出引腳的導(dǎo)通時(shí)間由電阻R4和輸入電壓VIN決定，計(jì)算公式為： [t{ON}=frac{V{IN}pm1.36V + R4/3167}{1.65times10^{-7}times(R4 + 1.4)}+50ns] 其中R4的單位為kΩ。由于Q1的導(dǎo)通和關(guān)斷延遲差異，SW節(jié)點(diǎn)（Q1、L1和D1的連接點(diǎn)）的導(dǎo)通時(shí)間比上述計(jì)算值更長。該評估板的SW導(dǎo)通時(shí)間在輸入電壓為5.5V時(shí)約為3479ns，在輸入電壓為55V時(shí)約為357ns，導(dǎo)通時(shí)間與輸入電壓成反比，以保持近乎恒定的開關(guān)頻率。

關(guān)斷時(shí)間與負(fù)載供電

在關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，負(fù)載電流由電感和輸出電容（C6、C7）提供。當(dāng)輸出電壓下降到使FB引腳的電壓低于參考電壓（1.25V）時(shí)，調(diào)節(jié)比較器會啟動一個(gè)新的導(dǎo)通時(shí)間周期。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的固定頻率操作，F(xiàn)B引腳需要至少25mV的紋波來切換調(diào)節(jié)比較器，這個(gè)紋波由R7和C10產(chǎn)生，并通過C9提供給FB引腳。

電流限制

電流限制閾值由檢測電阻（R5）和ADJ引腳的R3設(shè)定，在該評估板上約為7.6A。ADJ引腳的電流源在R3上設(shè)置一個(gè)恒定電壓，當(dāng)R5上的電壓超過R3上的電壓時(shí)，電流限制比較器會關(guān)閉Q1，并且LM5085會強(qiáng)制一個(gè)比正常情況更長的關(guān)斷時(shí)間，以確保電感電流至少下降到與導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)增加的電流相同的水平。

板布局與探測注意事項(xiàng)

散熱問題

• 當(dāng)在高輸入電壓和連續(xù)導(dǎo)通模式下運(yùn)行時(shí)，需要強(qiáng)制空氣流動以防止LM5085控制器過熱。
• 在高負(fù)載電流下運(yùn)行時(shí)，可能需要強(qiáng)制空氣流動以防止Q1、D1和L1過熱，這些組件可能會燙手。

探測安全

在高輸入電壓下探測電路時(shí)要格外小心，以防止受傷和對電路造成損壞。

導(dǎo)線選擇

在最大負(fù)載電流（4.5A）下，連接電源和負(fù)載的導(dǎo)線尺寸和長度變得非常重要，要確保輸入電流和負(fù)載電流的導(dǎo)線不會有明顯的電壓降。

板連接與啟動

連接方式

輸入連接到J1（+）和J2（-）連接器，負(fù)載連接到J3（VOUT）和J4（GND）端子。要確保導(dǎo)線的尺寸適合預(yù)期的負(fù)載電流。

啟動步驟

在啟動前，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)測負(fù)載電流。建議將輸入電壓逐漸增加到4.5V，此時(shí)輸出電壓應(yīng)略低于4.5V，具體取決于負(fù)載電流。當(dāng)輸入電壓增加到5V以上時(shí)，輸出電壓將穩(wěn)定在5V。如果輸出電壓正確，則可根據(jù)需要增加輸入電壓并進(jìn)行電路評估，但不要超過60V，否則可能會損壞Q1和/或D1。

負(fù)載電流降額

雖然該評估板的最大負(fù)載電流指定為4.5A，但Si7465 PFET的數(shù)據(jù)表規(guī)定其最大連續(xù)電流為3.2A。由于輸入電流（即通過Q1的平均電流）會隨著輸入電壓的降低而增加，因此在低輸入電壓下需要對負(fù)載電流進(jìn)行降額。

低電壓運(yùn)行

當(dāng)輸入電壓低于5V時(shí)，PFET（Q1）會持續(xù)導(dǎo)通（占空比為100%），輸出電壓等于輸入電壓減去檢測電阻、Q1和電感上的電壓降。當(dāng)輸入電壓高于5V時(shí)，LM5085開始調(diào)節(jié)輸出電壓為5V，PGATE引腳和SW節(jié)點(diǎn)開始開關(guān)動作。由于LM5085沒有最小關(guān)斷時(shí)間要求，電路可以從100%占空比平滑過渡到調(diào)節(jié)輸出狀態(tài)。

電流限制檢測方法

檢測電阻法

評估板默認(rèn)采用檢測電阻法進(jìn)行電流限制檢測。通過跳線將ADJ引腳電阻（R3）和ISEN引腳連接到檢測電阻（R5）兩端。當(dāng)R5上的電壓在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)超過R3上的電壓時(shí)，電流限制比較器會關(guān)閉Q1。通過公式(I_{CL}=40mu Atimes R3/R5)可以計(jì)算出電流限制比較器切換時(shí)的電流。

Q1 RDS(ON)法

若要使用Q1的RDS(ON)進(jìn)行電流限制檢測，需要將JP1和JP2的跳線從A - B位置移動到B - C位置，此時(shí)需要改變R3的值。根據(jù)Si7465 PFET的數(shù)據(jù)表，在VGS = 7.7V時(shí)，RDS(ON)約為57mΩ，通過相應(yīng)公式可以計(jì)算出R3的值。

輸出紋波控制

LM5085要求FB引腳有至少25mVp - p的紋波，且與SW節(jié)點(diǎn)的開關(guān)波形同相，以確保正常工作。評估板提供了三種不同的紋波控制配置：

最小輸出紋波配置

使用R7、C9和C10組件，通過R7和C10產(chǎn)生所需的紋波電壓，并通過C9耦合到FB引腳。這種配置可以將輸出紋波保持在最低水平。

降低紋波水平配置

使用R6和C5代替R7、C9和C10，通過電感的紋波電流在R6上產(chǎn)生紋波電壓，并通過C5傳遞到FB引腳。這種配置使用的電容較少，成本略低。

最低成本配置

與降低紋波水平配置類似，但去掉了C5，紋波在FB引腳會被反饋電阻（R1、R2）衰減。這種配置適用于對紋波要求不高的應(yīng)用，是最經(jīng)濟(jì)的解決方案。

監(jiān)測與測試

電感電流監(jiān)測

可以使用電流探頭監(jiān)測電感電流。移除WIRE LOOP焊盤上的跳線，并在焊盤上安裝合適的電流環(huán)，這樣可以準(zhǔn)確測量電感的紋波電流和峰值電流。

示波器探頭適配器

評估板提供了示波器探頭適配器，用于監(jiān)測SW節(jié)點(diǎn)和電路輸出（VOUT）的波形，避免使用探頭的接地引線拾取開關(guān)波形的噪聲。

電路性能與典型波形

性能曲線

通過一系列的性能曲線，如效率與負(fù)載電流、效率與輸入電壓、開關(guān)頻率與輸入電壓、輸出電壓紋波等曲線，可以直觀地了解評估板在不同條件下的性能表現(xiàn)。

典型波形

文檔中給出了連續(xù)導(dǎo)通模式和不連續(xù)導(dǎo)通模式下的典型波形，包括輸出電壓、SW節(jié)點(diǎn)電壓和電感電流等，有助于工程師深入分析電路的工作狀態(tài)。

總結(jié)

LM5085評估板為工程師提供了一個(gè)功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定的降壓調(diào)節(jié)器解決方案。通過對其工作原理、板布局、連接方式、電流限制、紋波控制等方面的詳細(xì)了解，工程師可以更好地利用該評估板進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和測試，提高工作效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用中，你是否遇到過類似評估板的使用問題？你又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。