探索LM5115/LM5025A评估板：高效电源转换的秘诀

在电子工程师的日常工作中，电源转换设计是一个至关重要的环节。今天，我们就来深入探讨一下德州仪器（TI）的LM5115/LM5025A评估板，看看它在电源转换方面能为我们带来哪些惊喜。

文件下载：LM5115EVAL.pdf

1. 评估板概述

功能与替代方案

LM5115/LM5025A评估板为设计工程师提供了一种从现有的有源钳位正激拓扑中实现二次侧后调节（SSPR）输出的解决方案。虽然文档主要围绕LM5025A有源钳位评估板展开，但实际上其他类型的隔离式电源转换器，如推挽、半桥和全桥转换器，也可以替代LM5025A有源钳位正激转换器来驱动LM5115交流评估板。

规格参数

• 输入电压：36V至72V，LM5025A标称值为48V。
• 主输出电压：标称值为3.3V。
• 主输出电流：0至30A。
• 主电流限制：约30A。
• 次级输出电压：2V。
• 次级输出电流：0至9A。
• 次级电流限制：约9A。
• 次级效率：在36V、负载电流为1A时为98%；在48V、负载电流为4A时为93%。
• 负载调节：在36V < Vin < 72V的范围内，从1A到7A负载变化时电压变化2mV。
• 尺寸：2.0 × 1.125 × 0.375英寸。

PCB设计

评估板的印刷电路板由4层2盎司铜的FR4材料制成，厚度为0.050英寸。它设计用于在额定负载下连续运行，最小气流为200 LFPM。

2. 工作原理

SSPR技术

LM5115控制器采用二次侧后调节（SSPR）技术，能够从隔离式电源转换器的二次侧开关波形中开发出高效且稳定的辅助输出。这种技术使得评估板在电源转换方面具有出色的性能。

同步与控制

LM5115的同步信号来自变压器二次绕组的主脉冲信号。电阻R2和R4感应脉冲信号，形成内部同步信号和内部电流，用于对LM5115的RAMP进行充电。LM5115通过前沿脉冲宽度调制（PWM）控制降压功率级，在建立必要的伏秒数以进行调节之前，阻止高端驱动器。

偏置与自适应死区控制

偏置信号来自整流后的脉冲信号。由于脉冲信号的峰峰值在6Vpp至12Vpp之间变化（输入电压从36V到72V），VCC稳压器直到峰峰值略高于7.5V时才会将电压稳定在7V。自适应死区控制可以延迟顶部和底部驱动器，避免直通电流。

3. 板布局与探测

布局与组件

图1、图2和图3展示了LM5115交流模式评估板与LM5025A板结合使用时的板布局、主要组件和关键探测点。在给板加电之前，需要注意以下几点：

• 主输入电源（36V至72V）分别连接到LM5025A板的J1和J4点，对应VIN和GND。
• 在最大负载电流下，主要载流组件（LM5115板的L1、Q1和Q2；LM5025A板的L2、Q3 - Q6）会发热，操作时需小心。当负载电流超过5A时，需要使用风扇提供强制气流。
• 连接负载的电线直径和长度很重要，建议使用至少14号规格的电线，以确保电线中不会有明显的电压降。

4. 板连接与启动

输入电源连接

输入电源连接到LM5025A评估板的J1（+）和J4（-）端子。输入源必须能够为LM5025A板和LM5115板的输出负载供电。LM5115的输入由LM5025A板的二次绕组提供，J7（LM5025A）连接到J1（LM5115），J10（LM5025A）连接到J2（LM5115）。

负载连接与监测

主负载连接到LM5025的J9（+）和J5（-）端子，J3（+）和J4（-）是LM5115的负载连接端子。启动前，应将电压表连接到输入和输出端子，并使用电流表或电流探头监测输入电流。LM5115提供的软启动功能可确保输出平稳上升，无过冲。即使在轻载或无负载的情况下，LM5115评估板也能在连续导通模式下工作。

5. 性能表现

各项性能指标

评估板的性能可以通过以下图表进行评估：

• 功率转换效率：如图5和图6所示。
• 栅极延迟：如图7和图8所示。
• 短路响应：如图9所示。
• 阶跃负载响应：如图10和图11所示。
• 启动和关机响应：如图12和图13所示。
• 纹波电压：如图14所示。
• 负载调节：如图15所示。
• 次级闭环频率响应：如图16所示。

6. VCC输出

LM5115产生一个7V的LDO稳压输出（VCC），可提供高达40mA的直流电流。VCC稳压器为低端MOSFET的高电流栅极驱动和高端MOSFET驱动器的自举电容供电。

7. 电流限制操作

电流感应与限制

电感电流通过R7、R8和R9的并联电阻进行感应。电阻值设计为电流限制约为9A。当感测电阻两端的电压差超过45mV时，电流感测放大器会拉低CO和COMP引脚，从而限制转换器的输出电流。达到电流限制后，电压反馈会使COMP引脚上升，再次开启高端驱动器，直到电感电流再次达到约9A的电流限制阈值。

电流注入与稳定性

并联电阻还将电感电流注入LM5115反馈回路。将与瞬时电感电流成比例的信号注入电压模式控制器可以提高控制回路的稳定性和带宽。这种电流注入方式消除了电压模式控制通常所需的反馈路径中的超前R - C网络，不仅简化了补偿，还降低了对输出噪声的敏感度。

噪声处理

在存在噪声电流感测的情况下，在CS和VOUT输入处添加低通滤波器可以帮助恢复更干净的波形，但要注意避免过大的RC时间常数导致不稳定。

8. 折返电流限制

实现方式

通过R17、R18、C10、D5和R16等组件可以实现电流限制折返。在标称输出电压（VOUT > 3V）下，D5反向偏置，电流限制阈值仍约为45mV。在较低输出电压下，电阻分压器网络和正向偏置的二极管（D5）会增加R16两端的电压，从而降低感测电阻（R7 - R9）两端的电压，实现电流限制折返。

常见问题

当电源的电流限制设置不足以满足负载需求时，可能会出现源电源折返和被测单元进入欠压关机的相互作用，导致振荡或抖动，这可能会产生不良后果。

9. 可选的DC降压配置

LM5115还可以配置为DC降压稳压器，相关信息可在《LM5115 Secondary Side Post Regulator/Synchronous Buck Controller（SNVS343）》中找到。

10. 典型性能特性

文档中提供了一系列典型性能特性的图表，包括代表性波形、系统效率与负载电流和输入电压的关系、栅极开启和关闭延迟、次级输出短路响应、阶跃负载响应、启动和关机响应、纹波电压、输出与负载电流和输入电压的关系以及次级闭环响应等。这些图表为工程师评估评估板的性能提供了重要依据。

11. 物料清单

文档中详细列出了评估板的物料清单，包括电容、二极管、电阻、MOSFET、电感和控制器等组件的型号和规格。这对于工程师进行电路板的组装和维修非常有帮助。

12. PCB布局

文档提供了LM5115评估板的PCB布局图，包括顶层丝印、顶层、第二层、第三层、底层和底层丝印等视图。合理的PCB布局对于评估板的性能和稳定性至关重要。

13. 应用电路原理图

文档展示了LM5025A评估板和LM5115交流评估板的原理图，这有助于工程师理解评估板的电路结构和工作原理。

总结

LM5115/LM5025A评估板是一款功能强大的电源转换评估板，它采用了先进的SSPR技术，具有高效、稳定的性能。通过合理的板布局、连接和启动方式，以及对电流限制和折返等功能的有效控制，评估板能够满足不同应用场景的需求。电子工程师在进行电源转换设计时，可以参考该评估板的设计和性能特点，为自己的项目提供有益的借鉴。你在使用类似评估板的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。