深入剖析LM5115A评估板：特性、原理与应用

一、引言

在电子设计领域，电源管理模块的性能直接影响着整个系统的稳定性和效率。LM5115A评估板作为一款重要的电源管理工具，为工程师们提供了一个典型的二次侧后级调节（SSPR）输出应用电路。它与现有的有源钳位正激转换器配合使用，能在电源启动和关闭过程中实现输出电压的跟踪。

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二、评估板规格

输入输出参数

该评估板的输入电压范围为36V至72V，在LM5025A上标称值为48V。主输出电压标称值为3.3V，输出电流范围是0至30A，电流限制约为30A；次级输出电压为2.5V，输出电流范围是0至9A，电流限制约为10A。在仅考虑次级的情况下，测量效率在36V、负载电流为1A时达到98%，在48V、负载电流为4A时为93%。负载调节方面，在36V至72V的输入电压范围内，从1A到7A负载变化时，电压变化仅为2mV。

电路板设计

印刷电路板采用FR4材料，有4层2盎司铜，厚度为0.050英寸。它设计用于在额定负载下连续运行，最小气流要求为200LFPM。这样的设计保证了电路板在工作过程中的稳定性和散热性能。大家是否在设计电路板时也会如此关注散热和材料选择呢？

三、工作原理

SSPR技术

LM5115A控制器运用二次侧后级调节（SSPR）技术，能从隔离式电源转换器的二次侧开关波形中开发出高效且稳定的辅助输出。这种技术是如何实现高效输出的呢？其实，它利用变压器二次绕组的主脉冲信号进行同步，通过电阻R2和R4感应脉冲信号，形成内部同步电流信号。

PWM控制

LM5115A采用前沿脉冲宽度调制（PWM）控制降压功率级。前沿调制通过延迟主脉冲信号的上升沿，控制LM5115A高端栅极驱动器，从而建立调节SSPR输出所需的电压 - 秒积。这里的PWM控制策略对输出电压的稳定性起到了关键作用，大家在实际应用中有没有遇到过PWM控制相关的问题呢？

偏置与自适应死区控制

偏置来自整流脉冲信号，脉冲信号幅度随输入电压从36V到72V变化，在6Vpp至12Vpp之间。Vcc稳压器在峰 - 峰电压略高于7.5V时才会将电压稳定在7V。自适应死区控制则通过延迟上下驱动器，避免直通电流，提高了电路的安全性和效率。

四、电路板布局与探测

布局与组件

图1、图2和图3展示了LM5115A评估板与LM5025A板配合使用时的电路板布局、主要组件和关键探测点。在给电路板通电前，需要注意以下几点：

1. 主输入电源（36V至72V）分别连接到LM5025A板的J1和J4点，对应VIN和GND。
2. 主要载流组件（如LM5115A板的L1、Q1和Q2，LM5025A板的L2、Q3 - Q6）在最大负载电流时会发热，操作时需小心。当负载电流超过5A时，需要使用风扇提供强制气流。
3. 连接负载的电线直径和长度很重要，建议使用至少14号规格的电线，以确保电线中不会有显著的电压降。

五、连接与启动

电源连接

输入电源连接到LM5025A评估板的J1（+）和J4（ - ）端子。输入源必须能够为LM5025A板和LM5115A板的负载供电。LM5115A的输入由LM5025A板的二次绕组提供，J7（LM5025A）连接到J1（LM5115A），J10（LM5025A）连接到J2（LM5115A）。

负载连接

主负载连接到LM5025A的J9（+）和J5（ - ）端子，LM5115A的负载连接到J3（+）和J4（ - ）端子。启动前，应在输入和输出端子连接电压表，并使用电流表或电流探头监测输入电流。

跟踪功能

为了实现正确的电源启动/关闭跟踪序列，需要将LM5025A的J9（+）端子连接到LM5115A的TP1端子。若要禁用跟踪功能，需从LM5115A评估板上移除R21和R22，并添加软启动电容C2（0.1µF）。

六、性能表现

各项性能指标

评估板的性能可以通过多个方面来体现：

1. 功率转换效率：如图4和图5所示，展示了系统效率和二次侧调整效率与负载电流和输入电压的关系。
2. 负载调节：图6展示了输出与负载电流和输入电压的关系。
3. 二次侧闭环频率响应：图7呈现了相关的频率响应特性。
4. 代表性波形：图8展示了代表性波形，有助于工程师分析电路的工作状态。
5. 栅极延迟：图9和图10分别展示了栅极开启和关闭延迟。
6. 短路响应：图11展示了二次输出短路响应。
7. 阶跃负载响应：图12和图13展示了阶跃负载响应情况。
8. 电源启动/关闭跟踪：图14和图15展示了启动和关闭响应。
9. 输出电压纹波：图16展示了输出电压纹波情况。

VCC输出

LM5115A产生一个7V的LDO稳压输出（VCC），可提供高达40mA的直流电流。VCC稳压器为低端MOSFET的高电流栅极驱动和高端MOSFET驱动器的自举电容供电。

七、电流限制操作

平均电流限制

电感电流通过电阻R8进行感应，电阻值设计为电流限制约10A。LM5115A有两个电流限制放大器，监测R8上的感应电流信号。慢电流限制放大器在设定的电流限制点提供恒流操作，当电流感应输入电压超过45mV时，通过CO引脚逐渐拉低COMP引脚电压，降低工作占空比，实现恒流控制。

逐周期电流限制

该评估板也可配置为逐周期电流限制模式。当R8上的电压超过45mV时，CO引脚通过二极管D6将SYNC引脚拉至地，使高端MOSFET瞬间关断，终止导通脉冲。但需要注意的是，只有当主电源采用电压模式（或带前馈的电压模式）控制回路方案时，才能使用逐周期电流限制，否则会出现振荡。

折返电流限制

通过R17、R18、C10、D5和R16等组件可以实现电流限制折返。在标称输出电压（VOUT = 2.5V）时，D5反向偏置，电流限制阈值仍约为45mV；在较低输出电压时，电阻分压器网络和正向偏置的二极管（D5）会增加R16上的电压，从而降低电流限制，实现电流限制折返。

八、输出纹波测量

准确测量输出纹波和噪声较为困难。为了获得最准确的结果，应尽可能靠近转换器的输出端子进行测量。由于测量信号处于毫伏级且测量带宽较高，测量设置容易受到外部噪声的干扰，导致测量结果失真。因此，建议使用非常短且直接的连接到示波器探头，使信号和接地连接的总环路面积尽可能小，并限制示波器的带宽。

九、总结

LM5115A评估板为工程师提供了一个功能强大且稳定的电源管理解决方案。通过深入了解其规格、工作原理、布局、连接、性能和电流限制操作等方面，工程师可以更好地应用该评估板，满足不同电子系统的电源需求。在实际设计中，大家是否还遇到过其他与电源管理相关的挑战呢？欢迎在评论区分享交流。