探索Altera Enpirion EN5364QI 6A DCDC转换器评估板

引言

在电子设计领域，电源模块的性能和集成度至关重要。Altera Enpirion的EN5364QI 6A DCDC转换器评估板为工程师提供了一个便捷的平台，用于评估和开发电源解决方案。本文将深入介绍这款评估板的特点、功能以及使用方法，希望能为电子工程师们在电源设计方面提供有价值的参考。

文件下载：EVB-EN5364QI.pdf

评估板概述

高度集成设计

EN5364QI评估板集成了电感器、功率MOSFET、控制器、补偿网络和保护电路等，大大减少了电路板的占用空间和元件数量。这种高度集成的设计使得电源模块更加紧凑，适用于对空间要求较高的应用场景。不过，评估板的设计更侧重于方便工程师进行评估，通过编程选项、夹线和测试点等方式，让工程师能够更轻松地进行各项测试。

丰富的功能特性

1. 电压裕量调节（Margining）：通过数字控制，利用三元引脚MAR[1:2]可以将输出电压在标称值的基础上进行±2.5%、±5%或±10%的调整。这一功能对于系统的鲁棒性验证和可靠性研究非常有价值。需要注意的是，电源正常信号（POK）会随着裕量调节自动缩放。
2. 锁相功能（Phase Lock）：将外部时钟源连接到引脚S_IN，可使内部开关频率与外部时钟源（或另一个EN5364QI）实现锁相。这有助于避免系统采样时钟和DC/DC转换器开关频率之间的拍频干扰所需信号频段。
3. 延迟功能（Delay）：引脚S_OUT可输出内部开关时钟（或PWM信号）的延迟版本，并且可以通过连接在引脚S_delay和AGND之间的单个电阻来编程延迟时间。当系统板上使用多个EN5364QI设备时，这一功能可以控制输入纹波。
4. 预偏置操作（Pre - bias operation）：当启用预偏置功能（通过跳线设置）时，设备会在使能信号的控制下，将输出电压从预偏置电压单调上升到编程的输出电压水平。预偏置（回馈）电压可以通过二极管耦合到输出端，评估板上已经安装了相应的二极管（D2）。
5. 并行模式操作（Parallel Mode operation）：当需要大于6A的负载电流时，最多可以将4个EN5364QI设备并行运行。在并行模式下，一个设备作为主设备，最多3个设备作为从设备，由主设备控制。主设备的PWM输出连接到从设备，通过菊花链连接从设备可以实现更多设备的并行运行，但实际应用中，电路板布局等因素会限制从设备的数量为3个。
6. 软启动功能（Soft - Start）：评估板上安装了一个15nF（C11）的软启动电容，输出电压的上升时间约为1ms。如果需要不同的上升时间，可以更换不同值的电容。为了限制浪涌电流，电容值应大于4.7nF，输出电压上升时间约为(65k*C_{ss})。

输出电压编程与补偿

输出电压设置

EN5364QI可以通过电阻分压器实现客户可编程输出电压。评估板出厂时配备了一个(R{A})、一个(C{A})和四个可能的(R{B})电阻。通过跳线选择4个(R{B})电阻中的一个，可以产生0.804V、0.998V、1.2V或1.8V的电压。如果需要更高的输出电压，可以在多个(R_{B})跳线位置安装电阻。具体的编程方法可以参考评估板原理图中的“VOUT Programming”部分。

补偿网络

评估板内部集成了大部分补偿网络，但反馈部分需要一个外部相位超前（零点）电容。适当的元件值可以为给定的输入电压和环路带宽选择提供最佳补偿。原理图中的方程提供了计算元件值的详细信息。

引脚功能与操作

三元输入信号

MAR1和MAR2是三元输入信号，引脚可以处于低电平（接地）、高电平（连接到(V{IN})）或浮空状态。表1显示了裕量调节的真值表，根据不同的状态组合，输出电压可以是标称值或在标称值基础上进行±2.5%、±5%或±10%的调整。其中7种状态用于裕量调节，另外两种状态保留用于诊断。如果将MAR[1,2]连接到(V{IN})，建议使用串联电阻以减少引脚输入电流。

时钟同步与延迟

评估板上为S_IN提供了一个SMC连接器（未安装），可以将3.6 - 4.4MHz的时钟源应用于S_IN，使设备的开关频率与外部源同步。S_OUT将输出一个与开关频率同步的时钟信号，并带有一定的相位延迟。一个EN5364QI的S_OUT可以连接到另一个EN5364QI的S_IN，实现不同的操作模式。相位延迟可以通过连接从S_delay到AGND的电阻来设置，延迟时间大约为(Delay (nsec) = 2* [S_delay resistance in kΩ])。例如，评估板上安装的49.9kΩ电阻可以将时钟信号延迟约100nsec。

跳线设置

评估板上提供了跳线，方便对以下信号进行逻辑高/低编程：使能信号（Enable）、预偏置使能信号（Pre - bias Enable）、MAR1和MAR2裕量调节三元输入信号以及主/从三元输入信号。使能信号也可以通过移除跳线并将使能信号应用于中间引脚和地来使用外部开关源进行控制。此外，还提供了跳线用于选择4种可能的输出电压之一。

快速启动指南

操作步骤

1. 设置跳线：将“ENA”和“ENA_PB”跳线设置为禁用位置，选择MAR1、MAR2和M/S为浮空状态（不安装跳线）。
2. 选择输出电压：根据需要设置输出电压选择跳线，如图4所示，从左到右的输出电压分别为0.804V、0.998V、1.2V和1.0V。通过在多个J13跳线位置安装电阻，可以获得更高的输出电压。需要注意的是，除了ENA跳线外，在EN5364QI启用时，不能更改J1和J13的其他跳线，否则可能会损坏元件。
3. 连接电源：将电源连接到输入电源连接器VIN (+)和GND (-)，并将电源设置为所需的电压。评估板的补偿元件已针对5V输入电压进行了优化，如果需要优化其他输入电压，可以使用原理图中的方程计算新的(R{A})、(C{A})和(R_{B})值。同时，要注意输入极性，尽管评估板带有反极性保护二极管，但尽量避免反接输入极性。
4. 连接负载：将负载连接到输出连接器VOUT (+)和GND (-)。
5. 上电操作：给评估板上电，并将ENA跳线移动到启用位置。此时，EN5364QI已上电并产生所需的输出。可以进行效率、纹波、线路/负载调节、负载瞬态、电源正常、过流限制和温度相关的测量，也可以在S_OUT观察延迟的开关时钟。
6. 电压裕量调节（Margining）：通过移动ENA跳线禁用设备，根据表1设置MAR - 1和MAR - 2跳线到所需的电压偏移量（百分比），然后重新启用设备并继续进行步骤5的操作。
7. 锁相操作（Phase Lock）：通过移动ENA跳线禁用设备并断电，将脉冲发生器（正确端接且输出禁用）信号连接在S_IN和GND之间，设置脉冲幅度为0 - 2.5V，脉冲频率为4MHz，连接示波器探头到S_IN和S_OUT，给设备上电并启用设备。观察S_OUT的自由运行开关频率，然后启用脉冲发生器输出，S_OUT应与S_IN锁定并带有固定的延迟（取决于S_Delay电阻的值）。在3.6 - 4.4MHz之间扫描时钟频率，记录两端的锁定范围。在更改板级元件之前，务必先给设备断电。
8. 预偏置操作（Pre - Bias Operation）：移除使能跳线禁用设备并断电，将EN_PB跳线设置为逻辑“1”，将脉冲发生器（输出禁用）信号连接到ENA的中间引脚和地，设置脉冲幅度为0 - 2.5V，脉冲周期为10msec，占空比为50%，快速过渡时间(<1usec)，连接示波器探头到ENA、SS、POK和VOUT并确保接地良好。将电源（设置所需电压但输出禁用）连接到TP18（BF_IN），打开回馈电源，VOUT将充电到BF_IN减去一个二极管压降。将输出电压设置为大于回馈电压的水平，启用脉冲发生器输出，观察输出电压和SS电压与使能脉冲的关系。在始终小于VOUT的情况下上下扫描回馈电压，观察设备的运行情况。

测试建议

测量准确性

为了保证测量准确性，需要注意以下几点：

1. 使用评估板上提供的测试点进行所有输入和输出电压测量，以消除线路和负载电缆上的电压降，避免产生错误读数。
2. 使用串联电流表或精确的分流电阻测量输入和输出电流，这在测量效率时尤为重要。
3. 使用低环路电感探头测量开关信号，以避免噪声耦合到探头接地线上。J10是测量输出纹波和负载瞬态偏差的方便点，如需更精确的纹波测量，请参考Enpirion的输出纹波测量应用笔记（www.altera.com/enpirion）。
4. 评估板为POK信号提供了一个10k上拉电阻，可随时监测电源正常状态。
5. 板上安装了一个15nF的软启动电容，实现约1msec的软启动时间。
6. 如果计划对该评估板进行任何特殊的EMI或噪声测量，请咨询Altera电源应用支持。

输入和输出电容

EN5364QI的输入电容要求在20 - 50uF之间，电压额定值应足够高，以满足应用的需求。评估板上安装了2个22uF、1206、X5R电容。输出电容在电压感应点的要求约为50uF，板上安装了一个47uF、1206、X5R和一个10uF、0805、X7R电容。需要注意的是，电容必须采用X5R或X7R介电配方，以确保在工作电压和温度范围内具有足够的电容值。

总结

Altera Enpirion的EN5364QI 6A DCDC转换器评估板为工程师提供了一个功能强大、易于使用的平台，用于评估和开发电源解决方案。其高度集成的设计、丰富的功能特性以及详细的操作指南，使得工程师能够快速上手并进行各种测试和验证。在实际应用中，工程师可以根据具体需求对输出电压、补偿网络等进行调整，以满足不同的系统要求。同时，遵循测试建议和注意事项，可以确保测量结果的准确性和设备的正常运行。你在使用这款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。