探索LM5165EVM - HD - P50A EVM：高性能同步降压DC/DC转换器评估模块

在电子工程师的日常工作中，评估模块（EVM）是验证和测试新器件性能的重要工具。今天，我们就来深入了解一下德州仪器（TI）的LM5165EVM - HD - P50A EVM，看看它在同步降压DC/DC转换器领域能带来哪些惊喜。

文件下载：LM5165EVM-HD-P50A.pdf

一、EVM概述

LM5165EVM - HD - P50A是一款高密度评估模块，专为展示LM5165高性能、超小型同步降压DC/DC转换器而设计。它具有超低的无负载电源电流，模块式设计采用了微型封装，元件数量少。其输入电压范围为3V至65V，可提供可调的5V输出，设定点精度优于2%。当输入电压低于输出电压设定点时，通过高端MOSFET的100%占空比导通，可实现低压差性能。凭借LM5165的脉冲频率调制（PFM）控制方案和二极管仿真，在24V输入时，无负载电源电流仅为12µA。

二、典型应用场景

1. 4 - 20 mA电流环供电传感器：在工业自动化中，这类传感器需要稳定的电源供应，LM5165EVM - HD - P50A的宽输入电压范围和高效性能能够满足其需求。
2. 高压LDO替代：对于需要高压输入并转换为稳定低压输出的应用，该评估模块是一个不错的选择。
3. 过程控制：在工业过程控制中，对电源的稳定性和精度要求较高，LM5165EVM - HD - P50A可以提供可靠的电源支持。
4. 楼宇自动化和HVAC：在这些系统中，需要多个不同电压的电源，该评估模块的可调输出电压特性能够满足多样化的需求。
5. 通用偏置电源：为各种电子设备提供稳定的偏置电压。
6. 汽车和电池供电设备：具备AEC - Q100 Q1级汽车认证，可在 - 40°C至 + 150°C的结温范围内工作，适用于汽车电子和电池供电设备。

三、特性与电气性能

1. 输出电压调节

输出电压为5V，可在1.23V至输入电压之间调节，并且在宽负载电流范围内具有超高的功率转换效率。在输出电压为5V、负载电流大于1mA（输入电压12V）时，效率超过90%。

2. 输入电压范围

宽输入电压工作范围为3V至65V，适应多种电源环境。

3. 无负载电源电流

在VIN = 24V时，无负载电源电流仅为12µA，有助于降低功耗。

4. 集成MOSFET

集成了高端和低端功率MOSFET，2Ω的PMOS降压开关支持100%占空比，实现低压差电压；1Ω的NMOS同步整流器消除了外部肖特基二极管。

5. PFM控制架构

支持全陶瓷输出电容设计，元件数量少，自然占空比可扩展至100%，适用于低压差应用。

6. 峰值电感电流设置

通过开路或从ILIM到GND连接100kΩ外部电阻，可将峰值电感电流水平设置为60mA。

7. 软启动功能

用户可调节软启动斜坡时间，通过在SS引脚连接47nF电容，软启动时间设置为6ms；也可选择内部0.9ms软启动时间（将SS开路），或使用100kΩ外部电阻连接从SS到GND实现无软启动以实现快速启动能力。

8. 使能和电源良好标志

ENABLE和PGOOD端子分别带有10MΩ和10kΩ上拉电阻到VIN和VOUT。

9. 输入欠压锁定（UVLO）

电阻可编程输入UVLO，具有可定制的滞后特性，适用于开/关电压差异较大的应用。内部设置输入UVLO在2.75V开启和2.45V关闭。

10. 输入电路阻尼

输入电路的并联RC阻尼可适应高Q电感电源线。

11. PCB布局

完全组装、测试并经过验证的PCB布局，总尺寸为15mm x 12mm。

四、性能规格

1. 输入特性

输入电压范围为3V至65V，输入电压开启为2.75V，关闭为2.45V，输入电压滞后为0.3V。在无负载时，输入电流在VIN = 12V时为15µA，VIN = 24V时为12µA；禁用时，输入电流在VENABLE = 0V、VIN = 12V时为5µA。

2. 输出特性

默认输出电压为5V，输出电流范围为0至25mA。负载调节和线路调节均为0.5%，输出电压纹波在VIN = 12V、IOUT = 12.5mA时为20mVrms，输出过流保护在VIN = 12V、ILIM设置为60mA峰值电流时为30mA，软启动时间为6ms。

3. 系统特性

开关频率在VIN = 12V时为100kHz，半负载效率在IOUT = 12.5mA、VIN = 12V时为91.7%，全负载效率在不同输入电压下有所不同，如VIN = 8V时为94.5%，VIN = 12V时为92.4%等。LM5165的结温范围为 - 40°C至150°C。

五、测试设置与流程

1. 测试设置

参考EVM连接说明，推荐的测试设置包括连接输入电压源、电压表、电流表、电子负载和示波器等设备。在ESD工作站工作时，要确保接地连接正确。

2. 测试设备

• 电压源：输入电压源VIN应为0 - 65V可变直流源，能够提供100mA电流。
• 万用表：包括测量输入电压、输出电压、输入电流和输出电流的万用表，输入阻抗设置为1GΩ，电流表的孔径时间设置为1秒。
• 电子负载：负载应为电子恒阻（CR）或恒流（CC）模式负载，能够在5V下提供0mAdc至250mAdc的电流。
• 示波器：设置为20MHz带宽和AC耦合，用于测量输出电压纹波。

3. 推荐测试设置

• 输入连接：连接直流输入源前，建议将源电流限制在最大200mA，确保输入源初始设置为0V，并连接到VIN和GND连接点。若使用长输入线，建议添加一个高ESR、低泄漏的输入大容量电容器。连接电压表1测量输入电压，连接电流表1测量输入电流。
• 输出连接：将电子负载连接到VOUT和GND连接点，在施加输入电压前将负载设置为恒阻或恒流模式，设置为0mAdc。连接电压表2测量输出电压，连接电流表2测量输出电流。

4. 测试流程

• 线路和负载调节、效率测试：按照上述设置搭建EVM，将负载设置为恒阻或恒流模式，设置为0mAdc。将输入源从0V增加到12V，使用电压表1测量输入电压。使用电压表2测量输出电压VOUT，将负载电流从0变化到25mAdc，VOUT应保持在负载调节规格范围内。将输入源电压从5.5V变化到65V，VOUT应保持在线路调节规格范围内。最后将负载减小到0mA，将输入源电压减小到0V。

六、测试数据与性能曲线

1. 转换效率

通过测试得到PFM转换器在VOUT = 5V时的效率曲线，不同输入电压下的效率表现不同。

2. 工作波形

• 开关波形：包括无负载、半负载和全负载时的SW节点、VOUT和IL波形，展示了不同输入电压下的工作情况。
• 启动波形：在IOUT = 12.5mA、不同输入电压下的启动波形。
• 使能开启波形：在VIN = 24V时，不同负载情况下的使能开启波形。
• 短路恢复波形：在不同输入电压下的短路恢复到无负载的波形。

3. EMI性能

展示了LM5165 PFM转换器在150kHz至30MHz和30MHz至108MHz频率范围内的传导发射EMI性能，包括未滤波和滤波后的情况。

七、EVM文档

1. 原理图

提供了5V、25mA PFM可调输出版本的原理图，以及其他参考设计的原理图，如COT模式下5V、150mA固定输出版本和3.3V、50mA固定输出版本的原理图。

2. 物料清单

详细列出了不同版本的物料清单，包括电容器、电感器、电阻器、集成电路等元件的型号和制造商。

3. PCB布局

展示了LM5165 4层PCB的设计，包括顶层铜层、第二层、第三层、底层铜层以及顶部和底部组装图。

八、参考设计

除了上述介绍的设计，还可以在同一PCB上实现其他设计，读者可以参考LM5165EVM - HD - C50X EVM用户指南（SNVU511）获取更多信息。

LM5165EVM - HD - P50A EVM为电子工程师提供了一个全面的平台，用于评估和验证LM5165同步降压DC/DC转换器的性能。通过详细的测试和数据，我们可以深入了解其在不同应用场景下的表现，为实际设计提供有力的参考。大家在实际使用过程中，有没有遇到过类似评估模块的应用挑战呢？欢迎在评论区分享。