AN-2115 LM5046评估板：电源转换设计的有力工具

作为电子工程师，在电源转换设计中，选择合适的评估板至关重要。今天就来和大家详细探讨一下TI的AN - 2115 LM5046评估板，它能为我们提供基于移相全桥拓扑的全功能电源转换器，从而评估LM5046 PWM控制器的性能。

文件下载：LM5046EVAL/NOPB.pdf

评估板基本信息

性能参数亮点

LM5046评估板采用行业标准的1/4砖尺寸，性能非常出色。其输入工作范围为36V至75V，输出电压稳定在3.3V。在48V输入时，30A负载下效率可达92%，这一效率在同类产品中相当有竞争力。工作频率为420kHz，这个频率是在电路板尺寸和效率之间取得的良好折衷。板载尺寸是2.28×1.45×0.5英寸，负载调整率为0.2%，线性调整率为0.1%，还具备34V/32V的欠压锁定（UVLO）和打嗝模式电流限制功能。

电路板设计

该评估板的印刷电路板为6层结构，外层采用2盎司铜，内层采用3盎司铜，基于FR4材料，总厚度为0.062英寸。设计上可在<40°C的额定负载下连续运行，并且需要最小200 LFM的气流。大家在实际使用中，一定要注意散热条件是否满足要求，不然可能会影响评估板的性能和寿命。

工作原理剖析

移相全桥（PSFB）拓扑

PSFB拓扑是经典全桥拓扑的衍生，当适当调谐时，能实现初级FET的零电压开关（ZVS），同时保持恒定的开关频率。ZVS特性非常重要，它能显著降低开关损耗和电磁干扰（EMI）排放。在PSFB拓扑中，功率传输模式与硬开关全桥类似，当桥对角的FET（Q1和Q3或Q2和Q4）导通时，启动功率传输周期。在功率传输周期结束时，PWM根据相位关闭开关Q3或Q4，脉冲宽度由输入和输出电压以及变压器匝数比决定。在续流模式下，与经典全桥不同，PSFB拓扑通过交替激活顶部FET（Q1和Q4）或底部FET（Q2和Q3）来短路电源变压器的初级。这种使用两个象限的方式能更好地利用磁芯，与单端拓扑相比，可减小磁芯体积，同时初级FET的ZVS也能降低EMI。

次级同步整流

评估板的次级采用同步整流方案，由LM5046控制。除了基本的软启动功能外，LM5046还包含第二个软启动功能，可逐渐将同步整流器开启到稳态占空比。这个功能能确保在次级误差放大器软启动之前，同步整流器保持关闭，从而即使在预偏置负载下也能实现输出电压的线性启动。然后逐渐增加SR输出占空比，以防止由于同步MOSFET的体二极管和沟道电阻之间的电压降差异而导致的输出电压干扰。输出反馈通过放大器和参考进行处理，生成误差电压，再通过光耦耦合回初级侧控制。评估板采用峰值电流模式控制，并使用标准的“II型”网络作为补偿器。大家在理解电路原理时，要重点关注这些关键部分的协同工作机制。

供电与负载注意事项

正确连接

在低输入电压下，评估板满载时电流可达3.5A，最大额定输出电流为30A。所以在连接电源和负载时，一定要选择合适的连接器和电线尺寸。同时要直接在评估板的输出端子处监测电压，因为负载连接线上的电压降会导致测量不准确，这在精确测量效率时尤为重要。大家在实际操作中，有没有遇到过因为连接不当导致测量误差的情况呢？

电源要求

评估板可视为恒定功率负载，低输入线电压（36V）时输入电流可达3.5A，高输入线电压（72V）时输入电流约为1.5A。因此，要全面测试评估板，需要一个至少能提供85V和4A的直流电源，且电源必须具备电压和电流调节功能。电源和电缆对评估板的阻抗要低，否则在电源应用和评估板浪涌电流期间，可能会出现电压下降，导致上电时出现抖动现象。

负载选择

合适的电子负载应能在最低3.0V的电压下正常工作，最大负载电阻为0.11Ω。由于输出电流大，需要使用粗电缆。如果使用电阻排，要确保其功率和电流额定值能满足30A、100W电源的要求，同时要时刻监测电流和电压，并为负载提供足够的冷却。

气流要求

在对评估板进行满载测试时，必须提供200 LFM的气流，可使用独立风扇来满足这一要求。如果散热条件不达标，可能会导致评估板性能下降甚至损坏。

上电操作

首次上电时，建议保持低负载，并将电源的电流限制设置为负载功率的1.5倍左右。一旦向评估板提供了合适的输入电压，就要检查输出是否为3.3V。如果电源设置的电流限制不足以满足负载需求，可能会导致类似高源阻抗的问题，进而引发振荡或抖动，造成不良后果。快速进行效率检查是确认一切正常运行的最佳方法，因为开关电源中任何参数的不正确都可能导致损耗和潜在的过热。

过流保护与性能特性

过流保护

评估板配置了打嗝式过流保护功能。当输出过载（约38A）时，单元会对SS电容放电，从而禁用功率级。经过由RES电容编程的延迟后，释放SS电容。如果过载情况持续，这个过程会重复进行。这样在连续过载条件下，转换器会进入一系列短脉冲和休眠时间的循环，休眠时间可降低功率转换器在此条件下的平均输入电流，使其有时间冷却。

性能特性指标

电路正常上电运行后，输出电压可调节至3.3V，精度由反馈电阻和电压参考确定。软启动电容值和其他组件可在短时间内使输出电压最小，直到反馈回路稳定且无过冲。在不同输入电压和负载条件下，评估板展现出了良好的效率、瞬态响应和输出纹波特性。通过观察各种波形图，我们可以更直观地了解评估板在不同工况下的性能表现。

物料清单与PCB布局

物料清单

文档中详细列出了评估板的物料清单，包括各种电容、电阻、二极管、晶体管、变压器、集成电路等元件的型号、规格和制造商。这为我们进行元件替换或进一步开发提供了重要参考。大家在进行元件选型时，一定要严格按照清单中的规格要求，避免因元件不匹配导致电路性能下降。

PCB布局

文档还提供了评估板的PCB布局图，包括顶层组件、底层组件以及各层的详细布局。合理的PCB布局对于减少电磁干扰、提高电路性能至关重要。我们可以从这些布局图中学习到如何进行电源电路的PCB设计，例如如何合理安排元件位置、如何进行布线以减少干扰等。

总之，AN - 2115 LM5046评估板是一款功能强大、性能出色的电源评估板，为我们在电源转换设计中提供了很好的参考和实践平台。希望通过今天的分享，能让大家对这款评估板有更深入的了解，在实际设计中能更好地发挥其作用。大家在使用这款评估板的过程中，有没有遇到什么有趣的问题或者有什么独特的见解呢？欢迎在评论区交流讨论。