探索 LM5165EVM - HD - C50X EVM：高性能同步降压 DC/DC 转换器评估模块

在电子设计领域，一款优秀的评估模块对于工程师来说就像是一把精准的手术刀，能够帮助我们深入了解和评估芯片的性能。今天，我们就来详细探讨一下德州仪器（Texas Instruments）的 LM5165EVM - HD - C50X 高密评估模块（EVM）。

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一、模块概述

LM5165EVM - HD - C50X EVM 专为展示 LM5165 高性能、超小尺寸的同步降压 DC/DC 转换器而设计。该转换器具有超低的无负载电源电流，模块采用微型封装，元件数量少，能在 3V 至 65V 的宽输入电压范围内工作，提供固定的 5V 输出，且设定点精度优于 2%。当输入电压低于输出电压设定点时，高端 MOSFET 以 100%占空比导通，实现低压差性能。凭借 LM5165 的恒定导通时间（COT）控制方案和轻载时的二极管仿真模式，在 24V 输入下无负载电源电流仅为 12µA。

典型应用场景

• 传感器供电：适用于 2/3/4 线传感器电源，为传感器提供稳定的电力支持。
• 高压 LDO 替代：可替代传统的高压 LDO，提供更高效的电源解决方案。
• 过程控制：在工业过程控制中，确保设备稳定运行。
• 楼宇自动化和 HVAC 系统：为这些系统提供可靠的电源。
• 通用偏置电源：满足各种通用设备的偏置电源需求。
• 汽车和电池供电设备：具备 AEC - Q100 Q1 级汽车认证，可在汽车和电池供电环境中可靠工作。

特性与电气性能

• 输出电压：紧密调节的 5V 输出，设定点精度为 2%。
• 输入电压范围：3V 至 65V 的宽输入电压工作范围。
• 负载电流：满负载电流可达 150mA。
• 转换效率：在宽负载电流范围内具有超高的功率转换效率，例如在 (V{IN}=12V) 和 24V 时，满载效率分别为 91%和 88.5%，在 (V{IN}=12V) 且负载电流高于 1mA 时，效率大于 85%。
• 无负载电源电流：在 (V_{IN}=24V) 时，无负载电源电流仅为 12µA。
• 控制架构：恒定导通时间（COT）控制架构提供快速的负载瞬态响应，元件数量少，无需环路补偿元件，开关频率几乎恒定，可通过电阻设置，自然自动将占空比扩展到 100%，以在低压差应用中保持调节。
• 集成 MOSFET：集成高端和低端功率 MOSFET，2Ω PMOS 降压开关支持 100%占空比以实现低压差电压，1Ω NMOS 同步整流器消除了外部肖特基二极管。
• 电流限制：峰值电感电流限制设定为 240mA（ILIM 引脚接地）。
• 软启动：用户可调节软启动斜坡时间，通过 SS 引脚的 47nF 电容设定为 6ms，也可选择内部 0.9ms 软启动时间（SS 引脚开路）或无软启动（使用 100kΩ 电阻将 SS 引脚连接到地以实现快速启动能力）。
• 使能和 PGOOD 端子：ENABLE 和 PGOOD 端子分别具有 10MΩ 和 10kΩ 上拉电阻连接到 (V{IN}) 和 (V{OUT})。
• 输入 UVLO：电阻可编程输入欠压锁定（UVLO），具有可定制的滞后，内部设定开启和关闭电压分别为 2.75V 和 2.45V。
• 输入电路：输入电路的并联 RC 阻尼可适应高 Q 电感供电线路。
• PCB 布局：完全组装、测试和验证的 PCB 布局，总尺寸为 15mm x 12mm。

二、性能规格

输入特性

• 输入电压范围：工作范围为 3V 至 65V。
• 输入电压开启和关闭：开启电压 (V{IN(ON)}) 内部设定为 2.75V，可通过 EN/UVLO 电阻进行调整；关闭电压 (V{IN(OFF)}) 为 2.45V，输入电压滞后 (V_{IN(HYS)}) 为 0.3V。
• 无负载输入电流：在不同输入电压下，无负载输入电流不同，如 (V{IN}=12V) 时为 14.5µA，(V{IN}=24V) 时为 12.5µA，(V_{IN}=65V) 时为 11.5µA。
• 禁用输入电流：当 (V{ENABLE}=0V) 且 (V{IN}=12V) 时，输入电流为 5µA。

输出特性

• 输出电压：默认输出电压为 5V（固定），当 (V{IN}<5.2V) 时，(V{OUT}) 跟踪 (V_{IN})，输出电压范围为 4.9V 至 5.1V。
• 输出电流：输出电流范围为 0 至 150mA。
• 负载调节：负载电流从 0mA 到 150mA 变化时，负载调节率为 0.5%。
• 输出电压调节：线路调节率在 (V_{IN}=5.5V) 至 65V 范围内为 0.5%。
• 输出电压纹波：在 (V{IN}=12V) 且 (I{OUT}=150mA) 时，输出电压纹波为 25mVrms。
• 输出过流保护：在 (V_{IN}=12V) 时，输出过流保护电流为 200mA。
• 软启动时间：软启动时间为 6ms。

系统特性

• 开关频率：在 (V_{IN}=12V) 时，标称开关频率为 240kHz。
• 效率：半负载效率在不同输入电压下有所不同，如 (V{IN}=12V) 且 (I{OUT}=75mA) 时为 92.0%；满载效率在不同输入电压下也不同，如 (V{IN}=12V) 且 (I{OUT}=150mA) 时为 90.7%，(V_{IN}=24V) 时为 88.4%等。
• 结温范围：LM5165 的结温范围为 - 40°C 至 150°C。

三、电路原理图与布局

应用电路原理图

提供了两种 COT 控制的降压转换器原理图，一种是固定输出 3.3V 或 5V 的最小元件数原理图，另一种是可通过反馈电阻调节输出电压的原理图。同时，还展示了软启动、电流限制和 UVLO 等可根据具体应用配置的元件。

PCB 布局

包括顶层铜层、第二层、第三层和底层铜层的布局图，以及顶层和底层的组装图，为工程师提供了详细的 PCB 设计参考。

四、测试设置与步骤

测试设置

• EVM 连接：明确了 VIN、GND、VOUT、ENABLE 和 PGOOD 等引脚的连接方式。
• 测试设备：需要 0 - 65V 可变直流电源、输入阻抗为 1GΩ 的电压表、1 秒孔径时间的电流表、0 - 300mAdc 的电子负载和 20MHz 带宽的示波器等设备。
• 推荐测试设置：输入连接时，先将直流输入源电流限制在 200mA 以内，初始设置为 0V，连接到 VIN 和 GND 点，若使用长输入线，建议添加高 ESR、低泄漏的输入大容量电容；输出连接时，将电子负载连接到 VOUT 和 GND 点，设置为恒阻或恒流模式，初始电流为 0mAdc。

测试步骤

• 线路和负载调节、效率测试：按照上述设置搭建 EVM，将负载设置为恒阻或恒流模式，初始电流为 0mAdc，将输入源从 0V 增加到 12V，测量输入电压；改变负载电流从 0 到 150mAdc，测量输出电压，确保其在负载调节规格范围内；改变输入源电压从 5.5V 到 65V，确保输出电压在线路调节规格范围内；最后将负载减小到 0mA，输入源电压减小到 0V。

五、测试数据与性能曲线

转换效率

展示了不同输入电压下，转换器效率随输出电流变化的曲线，直观地反映了转换器在不同工况下的效率表现。

负载调节

给出了不同输入电压下，输出电压随输出电流变化的曲线，体现了模块的负载调节能力。

工作波形

包括开关节点电压、输出电压纹波、负载瞬态响应、启动波形、ENABLE 开关波形以及汽车冷启动输入电压瞬变波形等，帮助工程师深入了解模块在不同工作状态下的性能。

EMI 性能

根据 CISPR 22 和 CISPR 25 规范，展示了模块在不同频率范围内的传导发射性能，包括未滤波和滤波后的情况，并给出了满足规范限制的 EMI 输入滤波器建议。

六、总结

LM5165EVM - HD - C50X EVM 是一款功能强大、性能优异的评估模块，为工程师提供了一个全面了解和评估 LM5165 同步降压 DC/DC 转换器的平台。其宽输入电压范围、高转换效率、低无负载电源电流等特性，使其在多种应用场景中具有广泛的应用前景。通过详细的测试设置和步骤，以及丰富的测试数据和性能曲线，工程师可以更好地掌握模块的性能，为实际设计提供有力的支持。大家在使用这款评估模块时，有没有遇到过什么特别的问题或者有趣的发现呢？欢迎在评论区分享。