基于LM5032的交错式升压评估板设计与性能分析

一、引言

在电子电源设计领域，升压转换器是常见的电路结构，它能将直流电压转换为更高的直流电压。而交错式升压拓扑在此基础上进一步优化，带来了诸多优势。德州仪器（Texas Instruments）的LM5032双电流模式PWM控制器，具备控制交错式升压转换器所需的全部特性。其两个输出相位相差180度，且每个通道都有独立的电流限制输入，同时还拥有高输入电压范围以及控制完整转换器所需的辅助功能。

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二、交错式升压拓扑原理

2.1 基本工作原理

基本的升压转换器能将直流电压转换为更高的直流电压，而交错式设计在此基础上，能有效减少输入和输出电路中的纹波电流。通过将输出电流分成两条路径，大幅降低了I²R损耗和电感交流损耗，从而实现更高的效率。

当Q1导通时，L1中的电流斜坡上升，其斜率取决于输入电压，能量存储在L1中。此时，由于输出电压大于输入电压，D1截止。当Q1关断时，D1导通，将L1中存储的部分能量输送到负载和输出电容。L1中的电流斜坡下降，其斜率取决于输入和输出电压的差值。半个开关周期后，Q2导通，完成相同的事件循环。由于两个功率通道在输出电容处合并，有效纹波频率是传统单通道升压调节器的两倍。

2.2 工作模式

根据每个开关周期内输送到负载的能量多少，升压转换器可分为连续导通模式（CCM）和不连续导通模式（DCM）。如果电感中存储的所有能量在每个开关周期内都输送到负载，则为DCM模式，在此模式下，电感电流在开关关断期间下降到零；如果只有部分能量输送到负载，则为CCM模式。工作模式是决定转换器电气特性的关键因素，不同模式下特性差异显著。

三、CCM与DCM模式比较

3.1 CCM模式

CCM模式的主要缺点是传递函数中的右半平面零点会导致固有的稳定性问题。但现代设计大多采用CCM模式，因为它可以实现更高的功率密度。

3.2 DCM模式

DCM模式下，开关和输出二极管的峰值电流较大，这就需要使用额定电流和功率耗散更大的开关和二极管，同时较大的峰值电流还会带来更严重的EMI/RFI问题。

四、升压功率级组件选择

4.1 电感选择

首先，根据最大和最小输入电压、输出电压以及输出二极管和开关的电压降，计算出最大和最小占空比。然后，根据负载电流和占空比估算平均电感电流。假设电感电流纹波峰峰值为平均电感电流的一定百分比，进而估算出峰值电感电流。最后，利用纹波电流、开关频率、输入电压和占空比信息计算电感值，并确定CCM和DCM之间的边界，以确定最小负载电流。

4.2 输出电容选择

在升压转换器中，输出电容需要承受相对较高的纹波电流。首先计算纹波的最坏情况占空比，通常是最大占空比。然后从图3的两相图中读取输出电容的归一化均方根纹波值，将其与输出电流相乘得到实际的均方根输出电容纹波。选择电容时，要确保其能在极端工作条件下承受该均方根纹波电流。同时，使用公式(Delta V{OUT }=frac{I{OUT(MAX) } timesleft(1-D{INN }right)}{f{S} × C{OUT }}+I{PEAK } × ESR)确定电容值，以确保给定的电压纹波，这里ESR是决定电容值的主要因素。

4.3 输入电容选择

由于升压转换器中电感与输入电源串联，输入电容的选择相对输出电容来说要求没那么高。在两相设计中，由于纹波抵消，输入纹波进一步降低，因此可以使用比单相设计更小的输入电容。通过图4的归一化输入电容纹波电流图，确定给定设计的最坏情况占空比，读取归一化纹波电流，再乘以归一化因子得到实际纹波电流，从而确定输入电容的大小。

4.4 功率开关选择

选择MOSFET时，需要考虑多个参数。漏源击穿电压应大于最大输入电压并留有一定的裕量；(R{DS(ON)})值决定了导通损耗，必须足够低以确保在最大漏极电流条件下结温在规格范围内；栅源和栅漏电荷会导致交流损耗；热阻额定值决定了散热片和气流要求。功率耗散的详细计算可参考公式(P{MOSFET }=left(frac{I{OUT (MAX)}}{2 x(1-D)}right) × R{DS(OP)} × D × 1.3+V{INW(MAX)} × Q{g} × f{S}+ frac{0.5 × V{IN(MAX)} × I{OUT} × f{S} timesleft(t{g}+t{F}right)}{(1-D)})。

4.5 输出二极管选择

输出二极管的选择基于电压和电流额定值以及反向恢复时间。电压额定值应为输出电压加上一定的裕量；(V{F})应尽可能低，以最小化导通损耗；反向恢复时间(t{rr})应尽可能短，以最小化开关损耗。如果电压额定值允许，可选择肖特基整流器，否则需要使用超快整流器。

4.6 补偿组件选择

补偿与具有相同电感值的等效功率单相升压调节器类似。连续导通模式下存在右半平面零点，会影响环路带宽。保守的做法是确保环路增益在低于1/4开关（每相）频率时过零。右半平面零点的频率可由公式(f{POPZ}=frac{R{LOAD} x(1-D)^{2}}{2 × pi × L}=frac{R{LOAD} × V{IN}^{2}}{2 × pi × L × V_{OUT}^{2}})计算。

五、评估板设计

5.1 设计目标

使用LM5032作为控制器构建了一个原型，设计目标是实现一个高效的交错式转换器，在室温环境下无需空气流动或散热片即可满功率运行。设计功率围绕约14安培的输入电流限制，以便使用现成的表面贴装电感。具体规格为：输入电压(V{IN }=18) - 45伏，输出电压(V{OUT }=48)伏，输出电流(I{OUT }=4.0)安培，输出纹波(V{RIPPLE - OUT }<50)毫伏。

5.2 电路设计

电路围绕LM5032构建，这是一款两相PWM控制器，每个通道都有独立的电流限制和补偿输入。由于实现的是两相单输出转换器，PWM比较器的独立输入在设计中合并。两个电流限制输入用于确保各相电流平衡。每个输出相驱动自己的功率通道，包括开关FET Q1和Q2、电感L2和L3以及输出双二极管D2。两个功率输出在输出电容C15 - C20处合并。IC内部配置为驱动其两个输出相位相差180度。

5.3 降低损耗措施

为了降低感测电阻损耗，构建了一个直流偏置电路，将电流感测输入偏置185毫伏，从而允许在各相中使用较低值的感测电阻，减少I²R损耗。此外，使用可调控制器U2（LM5009）构建了一个开关偏置电源，避免了使用线性调节器或齐纳二极管时约16瓦的损耗。

六、性能分析

6.1 效率

在DCM/CM边界处的测试结果表明，在高达4安培的输出电流和3.5:1的输入电压范围内，效率范围为95% - 98%。虽然在极低电流区域，由于偏置电流的影响效率较低，但这是所有调节器的共性。

6.2 纹波

交错式转换器的一个优点是输入和输出纹波降低。输出纹波频率是各相频率的两倍，且均方根电流值较低，设计师可以选择较小的输出电容以获得与单相转换器相同的纹波，或者使用较大的电容以实现更低的输出纹波。纹波减少程度与占空比有关，在50%占空比时，纹波几乎完全抵消。

七、总结

通过对基于LM5032的交错式升压评估板的设计和分析，我们可以看到交错式升压拓扑在提高效率、降低纹波等方面具有显著优势。在实际设计中，需要根据具体的设计目标和要求，合理选择功率级组件，以实现最佳的性能。同时，通过采取降低损耗的措施，可以进一步提高转换器的效率和可靠性。各位工程师在实际应用中，不妨根据本文的分析和方法，结合具体需求进行设计和优化，你认为在实际设计中还会遇到哪些挑战呢？

八、物料清单

Qty	Reference	Value	Description	Part Number	Manufacturer
7	C1, C2, C3, C4, C17, C18, C19	2.2 uF	CAP, CER, 2.2µF, 50V, X7R, 10%, 1210	C3225X7R1H225K	TDK
3	C11, C13, C14	100 pF	CAP, CER, 100pF, 50V, COG, 5%, 0805	C2012COG1H101J	TDK
2	C15, C16	150 uF	CAP, ELEC, 150µF, 63V, FK, SMD	EEV - FK1J151Q	PANASONIC
1	C20	0.1 uF	CAP, CER, 0.1µF, 100V, X7R, 10%, 1206	C3216X7R2A104K	TDK
1	C24	470 pF	CAP, CER, 470pF, 50V, COG, 5%, 0805	GRM2165C1H471JA01D	MURATA
8	C5, C6, C10, C12, C21, C22, C23, C25	0.1 uF	CAP, CER, 0.1µF, 100V, X7R, 10%, 0805	C2012X7R2A104K	TDK
2	C7, C8	0.01 uF	CAP, CER, .01µF, 50V, X7R, 10%, 0805	08055C103KAT2A	AVX
1	C9	22 uF	CAP,CER, 22µF, 10V, X7R, 10%, 1210	GRM32ER71A226KE20L	MURATA
1	D1	-	DIODE, SCHOTTKY, 60V, 0.5A, SOT - 23	ZHCS506TA	ZETEX
2	D2	-	DIODE, SCHOTTKY, 60V, 15A, CC, D2PAK	MBRB1560CT/31	VISHAY
1	D4	-	DIODE, HS SWITCHING, SOD - 323	CMDD4448	CENTRAL SEMI
4	J1, J2, J3, J4	-	I/O TERM, SCREW, VERT, SNAP IN	7693	KEYSTONE
3	J5, J6, J7	-	TP TEST POINT, PC, WHT	5012	KEYSTONE
1	L1	330 uH	INDUCTOR, 330µH, Pb FREE	SDR0503 - 331KL	BOURNS
2	L2, L3	15 uH	INDUCTOR, 15µH, 2.3mOHM, 28A	SER2807H - 153KL	COILCRAFT
2	Q1, Q2	-	N - CHANNEL MOSFET, 60V, 50A, DPAK	SUD50N06 - 09L - E3	VISHAY
1	R1	160k	RES, 160K, 1/8W, 1%, 0805, SMD	CRCW0805160KFKEA	VISHAY
2	R12, R13	0.02	RES .02 OHM 2W 1% 0830 SMD	RL7520WT - R020 - F	SUSUMU
1	R2	110k	RES, 110K, 1/8W, 1%, 0805, SMD	CRCW0805110KFKEA	VISHAY
2	R23, R24	10.0k	RES 10.0K OHM 1/8W 1% 0805 SMD	CRCW080510K0FKEA	VISHAY
1	R25	4.75k	RES 4.75K OHM 1/8W 1% 0805 SMD	CRCW08054K75FKEA	VISHAY
1	R26	30.1k	RES 30.1K OHM 1/8W 1% 0805 SMD	CRCW080530K1FKEA	VISHAY
1	R27	10	RES 10.0 OHM 1/8W 1% 0805 SMD	CRCW080510R0FKEA	VISHAY
1	R28	24.9k	RES 24.9K OHM 1/8W 1% 0805 SMD	CRCW080524K9FKEA	VISHAY
1	R29	1.10k	RES ANTI - SULFUR 1.1K OHM 1% 0805	ERJ - S06F1101V	PANANSONIC
1	R3	22.1k	RES 22.1K OHM 1/8W 1% 0805 SMD	CRCW080522K1FKEA	VISHAY
1	R4	7.32k	RES 7.32K OHM 1/8W 1% 0805 SMD	CRCW08057K32FKEA	VISHAY
1	R5	4.02	RES 4.02K OHM 1/8W 1% 0805 SMD	CRCW08054K02FKEA	VISHAY
1	R6	17.4k	RES 17.4K OHM 1/8W 1% 0805 SMD	CRCW080517K4FKEA	VISHAY
3	R7, R10, R11	1.00k	RES 1.00K OHM 1/8W 1% 0805 SMD	CRCW08051K00FKEA	VISHAY
2	R8, R22	2.00k	RES 2.00K OHM 1/8W 1% 0805 SMD	CRCW08052K00FKEA	VISHAY
2	R9, R30	69.8k	RES 69.8K OHM 1/8W 1% 0805 SMD	CRCW080569K8FKEA	VISHAY
1	U1	-	DUAL INTERLEAVED CM CONTROLLER	LM5032	Texas Instruments
1	U2	-	100V STEP DOWN SW REGULATOR	LM5009	Texas Instruments
1	U3	-	MICROPOWER SHUNT REFERENCE