深入剖析LM5034评估板：电源设计的得力助手

在电源设计领域，一款性能优良的评估板能为工程师们带来极大的便利。今天，我们就来详细探讨一下TI的LM5034评估板，看看它能为电源设计带来哪些独特的优势。

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一、LM5034评估板概述

LM5034评估板为电源设计工程师提供了一个功能完备的200W双交错DC - DC电源开关稳压器，采用正激/有源钳位拓扑结构。它使用单个LM5034双电流模式PWM控制器来控制两个转换器通道。通过板上的跳线，可将其配置为两个独立的稳压器（3.3V和2.5V输出），或者作为一个提供3.3V的单高电流稳压器。两个控制器通道以180°异相运行，从而降低输入纹波电流。

1. 核心优势

• 高效功率转换：通过使用高速、高电流复合栅极驱动器，可将初级侧开关的功耗降至最低，其能够提供1.5A的源电流和2.5A的灌电流。同时，有源钳位的使用也减少了与变压器复位相关的功耗。
• 低整流损耗：同步整流器降低了次级侧的整流损耗。
• 灵活配置：可通过单个电阻（R8）改变开关频率，还能将开关频率同步到外部源。此外，主开关和有源钳位开关之间的死区时间（R7）、最大允许占空比限制（R3）、打嗝模式时序（C8）、欠压锁定阈值（R4，R5）以及软启动时序（C10，C11）都可以进行调整。

2. 技术参数

• 输入电压：36V至78V
• 输出电压：3.3V（±2.5%）和2.5V（±1.5%），或单个3.3V（±2.5%）高电流输出
• 输出电流：每个独立输出为30A，配置为单输出时为60A
• 测量效率：在Vin = 48V，Iout = 20A，单3.3V输出的情况下，效率可达94%
• 开关频率：200 kHz
• 电流限制：每个输出约为31.5A
• 输入电压欠压锁定：上升约34.3V，下降约32.3V
• 尺寸：3.4 x 2.4 x 0.48英寸

二、电路结构分析

1. 原理图解读

从原理图来看，电路由LM5034双控制器和两个几乎相同的正激转换器通道组成。以3.3V输出通道为例，电流检测变压器T1为LM5034的CS2引脚提供初级侧电流信息，用于电流模式PWM控制和过流检测。Q1是电源变压器（T3）的主开关，Q2是有源钳位开关。Q5 - Q8是次级侧的自驱动同步整流器。输出滤波器由L2和C28 - C32组成。此外，L2还有一个辅助绕组，在该通道启用时为LM5034的VCC引脚供电。误差放大器U3与参考U5一起，通过光耦为LM5034的COMP2引脚提供电压反馈信号。

2. 布局与探测注意事项

• 接地问题：评估板有两个电路接地，一个与输入电源相关，另一个与输出电源相关。初级侧和次级侧的接地平面分别共享，但初级和次级接地是直流隔离的，通过高压电容C5和C50进行交流耦合。
• 发热问题：功率传输组件（L1，T3，T4，L2，L3，以及Q1 - Q12）在高负载电流下可能会发热，当任一通道的负载电流超过15A时，需要使用风扇提供强制空气流动。
• 高压安全：在最大输入电压下探测初级侧时要格外小心，78V的电压足以产生电击或火花，并可能因意外接触导致组件损坏。
• 负载连接：在最大负载电流下，连接负载的电线尺寸和长度变得很重要，建议使用至少12号的电线来承载30A的电流。当配置为单高电流输出时，建议从每个输出引脚到负载使用等长的12号电线。

三、输出配置与连接启动

1. 输出配置

在通电之前，需要根据需求设置跳线。评估板最初发货时，跳线A - B就位，将其配置为独立输出，即OUT1为2.5V，OUT2为3.3V。若要配置为单个3.3V高电流输出，则需要移除跳线A - B，并在B - C、D - E和F - G位置安装跳线。同时，输出引脚J6和J8以及J5和J7需要在负载处连接在一起。

2. 连接与启动

当任一通道的负载电流超过15A时，需要强制空气流动。输入连接到端子J1（+）和J4（ - ），电源必须能够提供如图8或图9所示的输入电流。由于LM5034的软启动功能，通电时输入电流增加几乎没有过冲。当配置为单独输出时，3.3V负载连接到J6（+）和J5（ - ），2.5V负载连接到J8（+）和J7（ - ）；当配置为单个3.3V高电流输出时，输出引脚J6和J8（+）以及J5和J7（ - ）在负载处连接在一起。

四、性能与波形分析

1. 性能指标

• 输出阻抗：配置为单独输出时，每个输出的输出阻抗小于5 mΩ；配置为单高电流输出时，输出阻抗小于2.5 mΩ。
• 线性调节：在36V至78V的输入范围内，所有负载电流下的线性调节小于0.01%（4 mV）。
• 功率转换效率：最高可达94%。

2. 波形分析

从图7中的波形可以看出，3.3V通道的初级侧开关（Q1）在时间t1导通，占空比（t1/5µs）由输入和输出电压以及变压器的12:2匝数比决定。有源钳位开关（Q2）在t1期间关闭，在Q1关闭期间导通。CS2是由T1及其相关组件提供给CS2引脚的电流信息，其幅度V3由初级侧电流决定，反映了负载电流。T3次级的电压显示为V5和V6，在L2的输入处，V5的平均值为3.3V，即输出电压。2.5V通道的初级侧开关（Q3）在时间t2导通，由于输出电压较低，Q3的占空比小于Q1的占空比，且Q3的导通时间比Q1的导通时间晚2.5 µs，因为两个信号相差180°。

五、工作原理详解

1. 初级侧操作

在3.3V通道中，初级侧开关（Q1）由LM5034的OUT2引脚驱动，占空比由输入和输出电压以及变压器的12:2匝数比决定。占空比控制由COMP2处的电压反馈和CS2处的电流信息提供。有源钳位开关（Q2）在Q1导通期间关闭，反之亦然，由AC2引脚控制。OUT2和AC2之间的重叠时间（确保Q1和Q2导通时间之间的死区时间）由引脚1处的R7设置为45 ns。

2. 次级侧操作

在3.3V通道中，当Q1导通时，T3的引脚4相对于引脚3为正，Q5和Q6导通，将引脚3接地，迫使Q7和Q8关闭。电流从T3的引脚4流出，通过L2、负载到地，再通过Q5和Q6回到T3的引脚3。当Q1关闭时，T3的引脚3相对于引脚4为正，Q7和Q8导通，将引脚4接地，Q5和Q6关闭，阻止T3次级绕组中的电流流动。L2中的电流通过负载到地，再通过Q7和Q8回到L2，保持不间断。

3. 反馈电路

单3.3V通道的电压反馈电路中，U5提供的4.096V（±0.5%）参考电压通过R28和R29分压至2.5V，提供给误差放大器U3。3.3V输出电压通过R31和R34分压至2.5V，提供给U3的反相输入。误差放大器的输出控制光耦的LED电流，以控制LM5034的COMP2输入电压。由T1、D1和R15产生的代表初级侧电流的斜坡信号通过R16/C20滤波器提供给CS2引脚。在内部，CS2和COMP2处的信号在PWM比较器处组合，以在OUT2处产生适当的占空比，并传输到电源变压器（T3）。

4. 电流限制操作

如果负载电流超过电流限制值，在相应的CS引脚处被检测到，主驱动器输出脉冲（在OUT1或OUT2处）将立即终止。如果高电流故障持续存在，控制器将在逐周期电流限制模式下以恒定的峰值开关电流运行。当LM5034检测到重复的电流限制事件时，RES引脚处的电压会升高。当该引脚的电压达到2.55V时，电流限制重启电路激活，通过将软启动引脚接地来禁用两个稳压器。经过短暂的传播延迟后，软启动引脚由内部1 µA电流源充电。当软启动引脚使COMP引脚达到约1.5V时，输出驱动器启用，软启动电流源增加到50 µA。如果电流故障已清除，输出占空比将增加到调节所需的值，软启动引脚饱和在5V；如果电流故障仍然存在，则上述循环重复。

六、其他功能介绍

1. 开/关输入

将开/关输入（J2）强制拉低至1.25V以下会关闭LM5034和两个开关稳压器。在此模式下，输出被禁用，VCC稳压器也停止工作，整个电路消耗约1 mA的电流。释放开/关输入引脚后，两个稳压器将通过正常的软启动序列上电。

2. 同步输入

LM5034可以通过将外部频率施加到SYNC输入引脚（J3）来同步到该外部频率。同步频率必须比用RT电阻（400 kHz，引脚20处的R8）设置的振荡器自由运行频率至少高4%，但小于自由运行频率的两倍。外部施加的脉冲宽度必须在15至150 ns之间，幅度相对于输入接地（J4）在1.8V至3.0V之间。在此模式下，R8必须保持原位。

七、总结

LM5034评估板为电源设计工程师提供了一个功能强大、灵活配置的平台。通过其独特的拓扑结构、可调节的参数以及高效的功率转换性能，能够满足不同电源设计的需求。在使用过程中，需要注意布局、探测、输出配置和连接启动等方面的细节，以确保评估板的正常运行和性能发挥。希望本文能为广大电子工程师在电源设计方面提供一些有价值的参考。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和见解。