[参考译文] LM5122：升压 SMPS 输出具有高噪声、甚至不接近 TI webench

您好 Daniel、

感谢您使用 e2e 论坛。
根据我的理解正确、您可以看到 LM5122电路板正在运行、但会产生较大的开关噪声(还是瞬态过冲？) 比仿真结果更准确？
我能帮您检查一下设计。 您是否愿意附上原理图？

作为额外资源、我还建议查看我们的 LM5122 EVM 板的设计、该板的规格与您的要求相似、并随附包括测试报告的用户指南。
https://www.ti.com/tool/LM5122EVM-1PH

此致、
Niklas

你好、Niklas

我已将原理图添加到此帖子。

我已经做了一些更正：

 -我确实使用了一个 P MOSFET 来控制 LM5522。 我需要更多的时间来分析电路、我本来会采取另一种方法、因为电感器和磁性二极管将让12V 电压进入输出端。 我移除了 R%、R3、Q4、Q3的引脚2和3、并进行了短路。 我将从 SMPS 设计外部控制 VCC_IN。 之后的噪声略高。 我还在检测电阻 R1的每一侧实施两个100欧姆电阻、连接到 CSN 和 CSP、并添加一个100pF 电容器。 我确实使用了绞线。 这种影响是可以忽略的。  

我还看到、在某些设计中 HO MOSFET 周围有一些部分、但我不知道要实现的原因或价值。

Q2显示一些热量、但仍可接受(50-60摄氏度)我将在下一版本中改善散热性能。

我在该项目的乞讨下购买了一个 PMLKBoostEVM、但由于该电路板是一种双芯片设计、我确实更专注于 TI webench 设计。

我将查看 LM5122EVM-1PH。

如何与您分享我的 webench 设计? webench 设计是否不推荐在 R sense 和功率 MOSFET 周围使用这些器件？

非常感谢您的帮助

Daniel Pelletier

DPE 技术

尊敬的 Daniel：

要共享 webench 设计,您可以将设计打印为 pdf 格式或进行屏幕截图。
HO MOSFET 周围的 RC 电路是缓冲器。 如果在开关节点上看到较大的过冲或振铃、此缓冲器用于抑制这些过冲。
它们通常不在 webench 中实现、因为过冲和振铃可能来自很多方面、其中还包括布局、因此不可能仅根据您在 webench 中输入的输入来计算合适的缓冲器值。

 缓冲器的一种常见方法是仅在开头放置空间、然后根据振铃行为计算值。 Power Stage Designer 工具中还提供了缓冲器计算器。
https://www.ti.com/tool/de-de/POWERSTAGE-DESIGNER

我们的快速入门计算工具是另一个用于验证元件选型的有用资源。
https://www.ti.com/tool/download/LM5122-BOOST-CALC

在研究原理图优化之前、您能否再次解释一下您在初始帖子中分享的波形显示的内容？
这是输出电压吗？
这只是一个强振荡脉冲、还是在每个开关周期都会出现这种振铃？

如果您能进行一次显示开关节点信号(SW 上的电压)和输出电压的测量、将会很有帮助。

谢谢、此致、
Niklas

你好、Niklas

我初始帖子中的波形是来自输出电压的纹波、与我的示波器进行交流耦合。 这是一个重复信号。 我 明天将在实验室发表一个包含 SW 的新波形。

感谢你的帮助

Daniel Pelletier

DPE Technologies

尊敬的 Daniel：

感谢您的反馈。
我正在进行测量锁定。

我还可以说明的另一个注意事项是 基于您发送的电路板图片的布局。 Q1位于电感器的左侧、而 Q2位于右上角。
这意味着开关节点面积必须非常长、其作用可能类似于天线、会在系统中引入大量噪声。
获得波形图后、我们还可以检查布局、以查找可能的根本原因。

此致、
Niklas

你好、Niklas

以下是所需的测量

输出 交流 耦 合和 SW 直流 耦合

您好 Daniel、

感谢您提供测量结果。
占空比看起来稳定、这很好。

正如预期的那样、开关节点信号上会出现过冲和振铃。 这个信息也是转发到输出电压的信息。
这与调节补偿或电流检测无关。
以下是有关如何减少振铃和稳定输出电压的建议：

-添加栅极电阻。 (遗憾的是、当前设计中没有栅极电阻器、因此只有在更改布局后才能添加栅极电阻器)
-在高侧 MOSFET 周围添加 RC 缓冲电路。 (在波形中、您可以看到开关节点信号的振铃频率是多少。 您可以按照功率级设计人员中的步骤找到合适的 R 和 C 值)
-增加陶瓷输出电容。 (虽然已经有 C5和 C6、但通过在输出端添加更多的低 ESR 陶瓷电容器、会在输出端过滤更多的开关噪声

如前所述、LM5122单相 EVM 应是一个很好的参考、在可能的布局优化方面也应是一个很好的参考。

如果还有其他问题、请告诉我。
此致、
Niklas

你好、Niklas

感谢您的回答。

我将对电路进行一些修改并进行测试。 我希望保持此 TT 打开、直到我获得新结果。

再次感谢

Daniel Pelletier

尊敬的 Daniel：

感谢您的反馈。
线程会在30天后自动锁定。 在此之前、您可以随时回复以重新打开该线程。
否则、您只需创建一个新 TT。

此致、
Niklas

你好、Niklas

我检查了  LM5122EVM-1PH。

我很奇怪、规格几乎与我需要的规格相同、但设计与 Webench 向我提议的设计非常不同(器件值和频率)。

我买了一个样品的板,我将测试它在接待。

我已经在功率级设计人员的帮助下在原型上测试了缓冲器。

这里有3个要点：

1-该工具不会告诉您电阻器所需的功率。 在 LM5122EVM-1PH 上、它是3/4W。 这将是一个很好的补充。  

2-软件中计算详细信息的链接不再起作用(缓冲器部分)。 我想提高我的知识、您能提供链接吗？

3-我尝试了这个方法。 初始频率为80MHz。 添加了4 Ω 和1、5nF、并确实获得了20MHz 的频率、但振幅几乎相同。

我无法在实际设计中为 MOSFET 添加栅极串联电阻。

我会看到评估板是否显示更好的规格、然后重新启动。

谢谢、祝您愉快！

Daniel Pelletier

尊敬的 Daniel：

感谢您的反馈。
1.) 感谢您指出这一点。 缓冲器需要支持短但强的电流尖峰、因此建议此处使用更高的额定功率。 通常建议使用与电流检测分流电阻类似的额定值。
2.) 可在以下位置找到用于计算的应用手册： https://www.ti.com/lit/ta /ssztbc7/ssztbc7.pdf
3.) 如果您使用 EVM 板实现了更好的结果、或者在此处需要其他帮助、敬请告知。

此致、
Niklas

你好、Niklas

我测试了 EVM 板、 结果非常好、输出纹波低。

Im 仍然很好奇、所以我与 webench 进行了一些仿真。

如果我使用与 EV 板相同的规格、则设计非常相似：10uH、输出端接近1000uF、但 MOSFET 上没有缓冲器。

如果我使用几乎相同的规格、唯一的区别是4A 而不是4.5、并且让 webench 选择频率、我得到的输出电容器和370kHz 频率比400uF 低5、5uH。

如果我将频率强制为250、这里将接近您的 EVM 板。 我知道、频率越低、我必须使用的电容器越多来滤除所有噪声、但即使具有电流检测滤波和缓冲器、当 EVM 正常工作时、我的设计也无法正常工作... 我想在 webench 中有另一个名为"安全设计"的优化选项。 当然、这将是我最喜欢的新选项。

我会尝试在 EVM 上的设计附近实现设计、但这会很困难、因为它会占用更多空间、并且物理分配会被冻结。 我想我们打赌这个的 webench 仿真会太多。

会让您及时发布进度信息。

谢谢

Daniel Pelletier

尊敬的 Daniel：

虽然 webench 工具非常便于以极少的输入快速获取设计建议、但它永远无法与经过物理构建和测试的参考设计进行比较。
即使需要额外努力、我也建议始终检查参考设计是否可用、因为 webench 工具毕竟只是一个计算器。

我会记下您对 webench 的反馈、并将其转发给相应的团队。

如果您需要审查最新设计的原理图或布局、请随时联系我。

此致、
Niklas

你好、Niklas

我推出了新版本的 SMPS

结果远未达到预期。 我几乎可以看到复制演示板、即使是零件的放置也是如此。 没有充电时噪音更小、但负载为3A 时噪音很大。

我将开始逐节调查,看看什么错误,但我开始失去信心。

e2e.ti.com/.../1538.BoostSMPS_5F00_HP.PDF

我附上了 PDF 供您查看。 您可能会看到我没有看到的内容。

我可能会先移除 MOSFET 栅极电阻、因为它们在演示板上为0欧姆。

为了防止12V 输入在系统的其他部分中引起噪声、我在输入端增加了电容。 它能成为问题的一部分吗？

如果您看到某些内容、请告诉我。

谢谢

Daniel Pelletier

我绕过了4.99欧姆的栅极电阻、但没有任何结果。 我不确定接下来要看什么。

Dan

您好 Daniel、

今天是德国的一个公共假日,所以我跳进去,可能会问一些奇怪的问题。

我预计您在使用 EVM 或使用电路板时会看到噪声的差异、对吧？

通常会通过布局注入噪声、因此请将您的布局与 EVM 布局进行比较并检查具体详细信息。

特别是输出环路通常是噪声源。 有时、从顶部晶体管的输出到底部晶体管的 GND 连接之间的小型高频电容器可能会有所帮助。

此致、
Brigitte

您好 Brigitte 和 Niklas

我已经在电路板的可用空间内布置了 PCB 并尝试复制演示板布局布线。 我确实以同样的方式对每一个刺和平面进行了布线。

您可以使用我上次发布的 PDF 文件比较这两个 PCB。

我还在这篇文章附加了一个 pdf 显示不同负载下的结果. 电源是12V 铅酸电池。

结果表明、我的设计的噪声比演示板高5到10倍。

完成这些测试后、我在 Brigitte 建议的位置添加了一个0、1 μ F 电容器。 尖峰较低、但电容器不影响交流波。

此时、Im 会提供任何建议。

感谢你的帮助

Daniel

e2e.ti.com/.../TESTS-RESULTS.pdf

尊敬的 Daniel：

感谢您提供的所有测量和布局信息。
正如 Brigitte 已经提到的、我怀疑布局产生了高噪声。

在布局文件中、我注意到以下内容：
-高侧 MOSFET 上的 RC 缓冲器有相当长的布线,这降低了其有效性
-您能否检查输出侧大容量电容器的 GND 连接上是否有任何过孔?
我在文件中看不到任何过孔。 如果没有过孔将电容器连接到功率级 GND、它们几乎无法提供任何滤波。

此致、
Niklas

你好、Niklas

您是对的、我的输出电容平面设计曾是 Wong。 我需要添加更多过孔。

我修改了器件、使其能够在无需新 PCB 的情况下持续测试。

请把我加入这个帖子的最新结果作为好的一个。 我们将努力从这些价值观中加以改进。 上一个问题有问题、因为源不是完全稳定的。

我们可以看到、添加一个接地路径可改善低负载和高负载时的噪声。 我还更改了缓冲器路径并添加了 Brigitte 推荐的电容器。

空 载噪声从920mV 更改为464mV

高负载噪声  从3.18V 更改为1.10V

我们比以前好得多、但仍然没有达到演示板(600mV @ 3A)的标准

我的质询如下：  

-在输出电容器下方有过孔时,您认为放置位置仍然很好吗?

-结果似乎更好与缓冲器变化,但0.1 uF 添加的电容器是一个客人在我身边。 你会推荐什么价值?

-我还能做些什么来改善输出噪声?

再次感谢您的帮助、非常感谢！

Daniel Pelletier

e2e.ti.com/.../2025_2D00_05_2D00_02-Proto-2-Test-results-.pdf

尊敬的 Daniel：

感谢您的更新。 我很高兴听到这些变化带来了一些改进。

-在输出电容器下方有过孔时,您认为放置位置仍然很好吗?
放置 C10和 C11是不错的。 C12和 C110远离功率级输出、因此效率较低。
但是、较大的凸起电容器通常具有较高的 ESR、因此在滤除开关噪声方面不如低 ESR 陶瓷电容器好。
为了减少纹波、您可以考虑在 C7旁边添加更多陶瓷电容、因为在这种情况下仍然存在一些开放空间。

-结果似乎更好与缓冲器变化,但0.1 uF 添加的电容器是一个客人在我身边。 你会推荐什么价值?
可以通过基准测试来定义合适的缓冲器值。 可以取消安装缓冲器并测量开关节点振荡。
然后、选择值完全以该频率进行滤波。 我们的 Power Stage Designer 工具中提供了缓冲器计算器。  https://www.ti.com/tool/POWERSTAGE-DESIGNER

-我还能做些什么来改善输出噪声?
如第一个问题中所述、更多的陶瓷电容可能会有所帮助。
除此之外、您还可以考虑使用更高的开关频率运行、从而减小电感器纹波电流、但也会增加开关损耗。

此致、
Niklas

你好、Niklas

我将根据您的建议、在输出端添加一个陶瓷电容器。

我还会尝试将线圈向右移动、方法是稍微延伸板、使 C12更有用。

我将缓冲器移至 Q2 MOSFET 上方。

我的问题不清楚、很抱歉。 它不是缓冲电容器。

在她的来文中,布里吉特写道:

因此、我尝试了在 Q3接地和 Q2输出之间使用一个0、1uF 50V 0805。

您建议使用该电容器什么？

谢谢

Daniel Pelletier

尊敬的 Daniel：

感谢您的澄清。
该电容器与输出端的其他陶瓷电容器(C5-C8)具有相同的功能、即滤除尽可能多的开关噪声。
由于直接放置在开关 FET 上、此处的滤波效应是最强的。
也正是由于这个原因、我建议在布局注释中使用更多的电容器来填充该区域、以增加放置位置和总电容。

串联电阻(ESR)越低越好。

此致、
Niklas

你好、Niklas

您在此处拥有未经修改的 PROTO2输出：

最新修改如下：

要去那里,我:

-添加了接地带以模拟输出电容器下的新过孔

-添加了输出电容器1x 10uF + 1x 4.7 μ F + 1x 1uF

-将 mofset 缓冲器移至更靠近 MOSFET 回路的位置。

为了改进更多,我还删除了 nusber et 重做了 subber 评估过程

-我开始我的设计8.2ohms - 470pF -相信从演示板的价值会合适

-Ive 最终达到1.3欧姆和6nF

因为我不是很好地掌握这个部分,我担心有这样的价值。 我们使用演示板时的系数为7-12x。 我不使用相同的 MOSFET (演示板 MOSFET 已停产)、噪声较低、但我想请问您对此有何看法。

我会做一个 proto 3、在出厂前我会与您分享该设计。

再次感谢！

Daniel Pelletier

你好、Niklas

我附加了新版本。 如果您能回顾一下、我会很乐意为您解答。

谢谢！

Daniel Pelletier

e2e.ti.com/.../3513.BoostSMPS_5F00_HP.PDF

尊敬的 Daniel：

感谢您的更新。
我同意您的所有更改。
输出电容器的放置现在看起来更好、大容量电容器也具有良好的 GND 连接、从而使过孔更有效。

我可以评论的一个小问题是：
我建议将 MOSFET 栅极的布线放置在不低于电感器的位置、以减少驱动器信号上的噪声。
理想情况下、应避免整个开关节点平面。
这将是高侧和低侧的替代布线：

我还重新布置了 SW 引脚布线、以使其靠近 HO 布线、从而尽可能地减少此处的环路。
您也会在 EVM 参考板中看到相同的放置方式。

此致、
Niklas

你好、Niklas

我做了你提议的修正

我添加了更正后的 pdf 供您查看。

缓冲器的新值看起来对您来说是正确的吗？

我担心1,3欧姆的极低值…

对我来说、有一个3/4W 电阻器与一个小型0805小电容器相匹配也很奇怪。

再次感谢您的帮助！

Daniel Pelletier

e2e.ti.com/.../6840.BoostSMPS_5F00_HP.PDF

尊敬的 Daniel：

感谢您的快速更新。
我喜欢新的栅极布线。 这种设计对我来说很好。
缓冲器值应该是合适的起始值。 我不能说这些值是否已经是设计中最合适的值、因为开关节点的振铃很难计算。 在此处、测量工作台上的振铃、然后修改缓冲器值以匹配振铃频率应该是最有效的方法。
封装尺寸很好、即使感觉不自然。
我过去在设计中看到、电容和电阻器都采用小型封装、但这些设计并未考虑到进入缓冲器的电流电平会非常高、即使时间很短也是如此、因此这些设计中的电阻器会断开。

此致、
Niklas