深入剖析LM5009A评估板：从原理到应用

在电子设计领域，一款优秀的评估板能为工程师的设计工作提供极大的便利。今天，我们就来深入探讨TI的LM5009A评估板，它基于恒定导通时间（COT）工作原理，是一款功能完备的降压调节器评估板。

文件下载：LM5009AEVAL/NOPB.pdf

1. 评估板概述

1.1 基本参数

LM5009A评估板可在8V - 75V的输入电压范围内提供5V的输出电压，最大负载电流为150 mA，电流限制标称值为260 mA。在输入电压为8V、输出电流为100 mA时，测量效率可达90.6%，标称开关频率为130 kHz，尺寸为2.6英寸 x 1.6英寸。这些参数为工程师在实际应用中提供了明确的参考。

1.2 工作原理

当电路处于调节状态时，降压开关每个周期的导通时间由R1和输入电压VIN决定，公式为：$t{ON} = frac{V{IN}}{1.385 times 10^{-10} times R1}$。导通时间范围从输入电压为8V时的约4.85 µs到75V时的约517 ns，且导通时间与VIN成反比，以保持近乎恒定的开关频率。每个导通时间结束后，最小关断定时器确保降压开关至少关断300 ns。在关断期间，负载电流由输出电容C2提供。当输出电压下降到使FB引脚电压低于2.5V时，调节比较器启动新的导通时间周期。为了实现稳定的固定频率操作，FB引脚需要至少25 mV的纹波来切换调节比较器。

2. 评估板使用要点

2.1 布局与探测注意事项

• 当评估板在高输入电压和高负载电流下工作时，可能需要强制空气流动来散热。
• 高输入电压和高负载电流时，LM5009A和二极管D1可能会发热，触摸时需小心。
• 在高输入电压下探测电路时要格外小心，防止受伤和电路损坏。
• 在最大负载电流下，连接负载的电线尺寸和长度很重要，要确保评估板与负载之间的电线没有明显的电压降。

2.2 连接与启动

输入连接到J1连接器，负载连接到J2（OUT）和J3（GND）端子。启动前，应在输入和输出端子连接电压表，用电流表或电流探头监测负载电流。建议将输入电压逐渐增加到8V，此时输出电压应为5V。若输出电压正确，可按需增加输入电压，但不要超过75V。

3. 输出纹波控制

LM5009A的FB引脚需要至少25 mVp - p的纹波，且与SW引脚的开关波形同相才能正常工作。以下是三种不同的纹波控制方案：

3.1 低成本配置（Option A）

在这种配置中，R5与输出电容C2串联。由于FB引脚需要至少25 mVp - p的纹波，已知电路中最小输入电压下的最小纹波电流约为44 mAp - p，选择1.2Ω的R5，在输入电压范围内，输出电压的纹波范围约为53 mVp - p到132 mVp - p。如果应用能接受这个纹波水平，这是最经济的解决方案。

3.2 中等纹波配置（Option B）

通过在R3两端添加一个电容Cff，这种配置比Option A产生的输出纹波更小。由于输出纹波通过Cff几乎无衰减地传递到FB引脚，R5可以减小，使输出电压的最小纹波约为25 mVp - p。Cff的最小值可根据公式$C{ff} geq frac{3 times t{ON(max)}}{(R3 // R4)}$计算，其中$t_{ON(max)}$是最大导通时间（在最小输入电压时），R3 // R4是反馈电阻的并联等效值。在输入电压范围内，输出电压的纹波范围为26 mVp - p到66 mVp - p。

3.3 最小纹波配置（Option C）

为了获得最小的输出纹波，将R5设置为0Ω，并添加RA、CA和CB来为FB引脚产生所需的纹波。输出纹波主要由输出电容的特性和电感器的纹波电流决定。通过以下步骤计算RA、CA和CB的值：

• 计算电压VA：$VA = V{OUT} - (V{SW} times (1 - (V{OUT} / V_{IN})))$，其中VSW是关断期间SW引脚电压的绝对值（通常为0.6V），VIN是最小输入电压。对于该电路，VA计算为4.78V。
• 计算RA x CA的乘积：$RA times CA = frac{(V_{IN} pm VA) times t{ON}}{Delta V}$，其中$t_{ON}$是最大导通时间（约4.85 µs），VIN是最小输入电压，ΔV是RA/CA结点所需的纹波幅度（本例为50 mVp - p）。然后从标准值组件中选择RA和CA以满足上述乘积，通常CA为3000 - 10000 pF，RA为10 kΩ - 300 kΩ。CB选择比CA大，通常为0.1 µF。输出电压的纹波通常小于10 mVp - p。

4. 电流限制关断时间

当检测到电流限制时，导通时间周期立即终止，LM5009A强制的关断时间必须大于最大正常关断时间（在最大输入电压时出现）。较长的关断时间是为了使电感器电流至少降低到与导致电流限制检测的导通期间电流增加量相同，甚至更多。强制关断时间由RCL引脚的电阻R2决定，计算公式为$T{OFF} = frac{10^{-5}}{0.285 + (V{FB} / (6.35 times 10^{-6} times R2))}$，其中VFB是电流限制检测时FB引脚的电压。在该评估板中，最大正常关断时间约为7.2 µs（在75V时），考虑到导通时间的25%公差，关断时间公差也为25%，最大可能关断时间为9 µs。考虑到电流限制检测电路的响应时间（350 ns），最大关断时间增加到9.35 µs，再增加25%到11.7 µs以考虑上述公式的公差。在VFB = 2.5V时，计算得出R2为691 kΩ，实际使用标准值715 kΩ电阻。

5. 监测与测量

5.1 电感电流监测

可以使用电流探头在示波器上监测或查看电感器的电流。移除R6，并在R6所在的两个大焊盘上安装一个合适的电流环，这样可以准确确定电感器的纹波电流和峰值电流。

5.2 示波器探头适配器

评估板提供了示波器探头适配器，用于监测SW引脚和电路输出（VOUT）的波形，无需使用探头的接地引线，可避免拾取开关波形的噪声。探头适配器适用于Tektronix P6137或类似直径为0.135英寸的探头。

6. 电路性能与波形

评估板还给出了效率与负载电流、输入电压的关系曲线，输出电压纹波、开关频率与输入电压的关系曲线，电流限制与输入电压的关系曲线，以及线路调节和负载调节曲线等。同时，展示了连续导通模式和不连续导通模式下的典型波形，这些数据和波形能帮助工程师更好地了解评估板的性能。

7. 总结

LM5009A评估板为工程师提供了一个方便的平台来评估和设计基于恒定导通时间原理的降压调节器电路。通过合理选择纹波控制方案、设置电流限制关断时间等，可以满足不同应用场景的需求。在使用过程中，要注意布局、连接和散热等问题，以确保电路的稳定运行。你在使用类似评估板时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。