深度剖析LM5009评估板：设计、性能与应用

在电子工程师的日常工作中，评估板是验证芯片性能和设计电路的重要工具。今天，我们就来深入探讨一下TI的LM5009评估板，看看它在降压调节器设计中的表现和应用。

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一、评估板概述

LM5009评估板为工程师提供了一个基于恒定导通时间（COT）工作原理的全功能降压调节器。它能在12V - 95V的输入电压范围内提供10V的输出电压，最大负载电流可达150mA，电流限制约为240mA。评估板上除了C6和C9外，其他外部元件都已焊接好，这两个元件可用于管理输出纹波。

主要规格参数

• 输入电压：12V - 95V
• 输出电压：10V
• 最大负载电流：150mA
• 最小负载电流：0mA
• 电流限制：约240mA
• 测量效率：93.3%（VIN = 12V，IOUT = 100mA）
• 标称开关频率：240kHz
• 尺寸：1.6英寸 x 1.0英寸 x 0.5英寸

二、工作原理

导通时间与开关频率计算

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和输入电压决定，计算公式为：$t{ON} = frac{V{IN}}{1.25 times 10^{-10} times R1}$。标称开关频率则由公式$F{S} = frac{V{OUT}}{1.25 times 10^{-10} times R1}$计算得出。在该评估板中，导通时间在Vin = 12V时约为3540ns，在Vin = 95V时约为450ns，导通时间与VIN成反比，以保持近似恒定的开关频率（标称240kHz）。

工作过程

每个导通时间结束时，最小关断定时器确保降压开关至少关断300ns。在关断期间，输出电容（C2）由负载电流放电。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引脚需要约25mVp - p的纹波来切换调节比较器。

三、板载布局与探测注意事项

布局

从评估板的布局图可以看到各个电路元件的位置。在设计类似电路时，合理的布局对于减少干扰和提高性能非常重要。

注意事项

• 当在高输入电压和高负载电流下工作时，建议使用强制气流散热。
• 在高输入电压和高负载电流下操作时，LM5009可能会发烫，触摸时要小心。
• 在高输入电压下探测电路时，要格外小心，防止受伤和损坏电路。
• 确保连接评估板和负载的电线尺寸适合负载电流，避免在电线中出现明显的压降。

四、连接与启动步骤

连接方式

输入连接到J1连接器，负载通常连接到J3连接器的V1和GND端子。要确保电线尺寸适合预期的负载电流。

启动检查

在启动前，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负载电流。建议逐渐将输入电压增加到12V，此时输出电压应为10V。如果在VIN为12V时输出电压正确，则可根据需要增加输入电压并评估电路。

五、输出纹波控制

LM5009的FB引脚需要至少25mVp - p的纹波，且与SW引脚的开关波形同相，才能正常工作。评估板提供了多种控制输出纹波的配置方案。

最小输出纹波配置

通过将R4设置为零欧姆，并包含元件R6、C7和C8，可实现最小纹波。输出纹波主要由输出电容（C2）的等效串联电阻（ESR）和电感器的纹波电流决定，在VIN = 12V时为5mVp - p，在VIN = 95V时为14mVp - p。FB引脚所需的纹波电压由R6、C7和C8产生。

计算R6、C7和C8的值

1. 计算电压$V{A}$：$V{A} = V{OUT} - (V{SW} times (1 - (V{OUT}/V{IN})))$，其中$V{SW}$是关断期间SW引脚电压的绝对值（通常为1V），$V{IN}$是最小输入电压。
2. 计算$R6 times C7$的乘积：$R6 times C7 = frac{(Delta V times (V{IN} pm V{A}) times t{ON}}{10^{-6}}$，其中$t{ON}$是最大导通时间，$Delta V$是R6/C7 junction所需的纹波幅度。

中间纹波水平配置

使用R4和C6代替R6、C7和C8，这种配置会产生比最小纹波配置更多的纹波，但使用的电容更少。R4用于在VOUT1产生至少25mV的纹波，C6将纹波耦合到FB引脚。

最低成本配置

与中间纹波水平配置类似，但不使用C6。为了满足FB引脚25mVp - p的纹波要求，R4选择为3.3Ω，以在VOUT1产生100mVp - p的纹波。

替代低纹波配置

将负载连接到VOUT2可获得低纹波输出，适用于负载电流相对恒定的应用。但要确保R4的功率额定值适合负载电流。

六、电流限制

LM5009包含一个智能电流限制关断定时器，电流限制阈值为310mA ± 60mA。当降压开关中的电流达到阈值时，当前的导通时间周期立即终止，并启动一个不可复位的关断时间。关断时间的长度由外部电阻（R5）和FB引脚的电压控制。电流限制关断时间的计算公式为$t{OFF} = frac{0.285 + 10^{-5}}{6.35 times 10^{-6} times R5} times V{FB}$。

七、最小负载电流

LM5009需要约500µA的最小负载电流，以确保升压电容（C5）在每个关断期间得到充分充电。在该评估板中，反馈电阻（R2、R3）提供了最小负载电流，使评估板的最小负载电流可指定为零。

八、电路性能与物料清单

性能表现

通过效率与负载电流、输入电压的关系图，以及输出电压纹波和开关频率与负载电流的关系图，可以直观地了解评估板的性能。

物料清单

评估板的物料清单详细列出了各个元件的制造商、型号、封装和值，为工程师进行电路设计和元件选型提供了参考。

九、总结与思考

LM5009评估板为工程师提供了一个方便的平台，用于评估和设计基于LM5009的降压调节器电路。通过不同的输出纹波控制配置和电流限制功能，工程师可以根据具体应用需求进行优化设计。在实际应用中，你会如何根据这些特性选择合适的配置呢？希望这篇文章能为你的设计工作提供一些有价值的参考。