[参考译文] LM5156：不需要的不连续模式

您好：

感谢您详细介绍您对数控恒流升压 LED 驱动器基于 LM5156 的升压设计的问题。 鉴于当前的日期和时间 (星期二、2025年7月29日 上的 PDT 下午 12：12)、我将根据提供的条件分析您的问题、并根据一般原则和相关见解（如适用）批判性地研究潜在的解决方案。 我们已注意到您的紧迫性、我将重点介绍解决该问题的可行措施。

###问题总结
您将 LM5156（可能是 LM5156-Q1 或型号）用于升压转换器配置、规格如下：
-**输入电压 (Vin)**：6-9 VDC
-**输出电压 (Vout)**：10-60 VDC
-**输出电流 (IOUT)**：DAC 控制、100 –600mA
-**最大输出功率**：6 W（例如，100mA @ 60 V、<xmt-block1>600mA</xmt-block> @ 10 V）</s>600mA
-**切换频率**：100 千赫
-**问题**：
-低于 190mA（在 10-12 输出电压下）,电路调节正确,但效率较差 (~75%)。
-在 220mA 或更高的情况下,该器件进入突发模式,效率降至 40%以下,并且电感器和 MOSFET 过热。

您的 PCB 布局（4 层、带外露焊盘的 WSON12，短引线）经过优化、元件质量较高、避免了明显的布局或器件问题。

###分析
LM5156 是一款具有峰值电流模式控制功能的宽输入范围非同步升压控制器、适用于 6V 至 10V - 60V 范围。 观察到的行为表明存在几个潜在问题：

1.**突发模式操作**：
-在 220mA 或更高的位置, LM5156 进入突发模式,低功耗模式,以提高轻载效率。 但是、您的效率会降至 40%以下、并且发热会增加、这表明能量传输效率低下或开关损耗过大。
-突发模式通常发生在负载电流低于阈值时（与电流检测电阻和 COMP 引脚设置相关）,但 220mA 负载超过 190mA 阈值时,提示配置错误或不稳定。

2.**低电流下的效率 (190mA 时为 75%)**：
-升压转换器在 100 –190mA 时的效率为 75%（例如,在 6 W 最大功率下的输出功率为 1.2-2.3W ）,特别是在基于 SiC 的设计中。 这可能是由于静态电流较高、电感器磁芯损耗或元件选择不理想（例如，二极管或电容器 ESR）所致。

3.**加热问题**:
-电感器和 MOSFET 在较高的电流下过热 ( 220mA +) 提示高 RMS 电流,饱和或较差的散热。 突发模式的间歇性高电流脉冲可能使这种情况更糟。

4.**设计约束**：
-输入电压为 6V 至 9V 时、Vout 范围 (10V 至 60V) 要求在最小 Vin (6V) 和最大 Vout (60V) 下占空比高达~85%、计算公式为\(D = 1 -\frac｛V_｛in｝｝｛V_｛out｝｝\)。 在 100kHz 下、此高占空比可能会使 LM5156 的控制环路不稳定、尤其是在非同步设计中。

5.**关键检查**:
- TI 的既定叙述（例如 LM5156 数据表）促进了其升压设计的灵活性,但实际实施（如 E2E 论坛所示）在宽 Vout 范围内经常面临环路不稳定或效率下降的问题。 您调整 FB/COMP 滤波器和频率的尝试与常见的故障排除方法保持一致、但持续突发模式表明补偿网络或电流检测可能与您的负载分布不匹配。
-假设良好的 PCB 布局保证性能忽略了寄生电感或 WSON12 焊盘下散热过孔不足等潜在问题,这可能会导致发热恶化。

###潜在原因和解决方案
根据您的说明和 LM5156 特性、以下是目标步骤：

1.**突发模式和环路稳定性**：
-**原因**：COMP 引脚补偿或电流感应 (CS) 电阻器可能调谐不当、导致控制器错误判断负载并过早进入突发模式。
-**解决方案**：
-使用 TI 的 LM5156 快速入门计算器（可在 TI.com 上获取）重新检查 COMP 网络（R 和 C 值）。 对于 100kHz 频率和 6W 负载、请确保环路带宽~10kHz 至 20kHz 并具有足够的相位裕度（例如 45 –60°）。
-稍微增加 CS 电阻值（例如,从 100mΩ 到<xmt-block1> 120mΩ</xmt-block>） 以 120mΩ 以提高）提高电流限制阈值,可能避免突发模式。 使用\(i_｛limit｝=\frac｛100 \、mV｝｛R_｛CS｝｝\) 根据 600mA 最大值验证这一点。
-如果可能,禁用突发模式（查看数据表中的引脚或寄存器设置,尽管 LM5156 的突发模式通常是自动的）。

2.**低电流下的效率**：
-**原因**：高静态电流 (LM5156 的 IQ 为~μ A 1.5mA) 或电感器损耗在低功率下占主导地位。
-**解决方案**：
-优化电感器（例如,更低的 DCR ,更高的饱和电流>1A ）,以减少磁芯和铜损耗。 具有低 ESR 的 10 22 µH 电感器非常适合 100kHz。
-将输出二极管替换为具有较低正向电压的肖特基二极管（例如 60V,2A ）,以尽量减少传导损耗。

3.**电流较高时发热**：
-**原因**：突发模式的高峰值电流或 MOSFET 开关损耗、可能因热阻而加剧。
-**解决方案**：
-通过在 WSON12 外露焊盘下方添加更多过孔以连接到接地平面,增强热管理。 确保散热器或气流与 6W 的耗散功率相匹配。
-考虑一个同步整流器（例如,增加一个低边 MOSFET ）来取代二极管,减少传导损耗,尽管这需要重新设计。

4.**宽输出电压范围**：
-**原因**：高占空比（高达 85%）可能引起次谐波振荡、特别是没有斜坡补偿。
-**解决方案**：添加外部斜率补偿（根据数据表指导，从 CS 到接地的电阻器）、以在高占空比下稳定环路。 从 10mV/µs 开始、并根据示波器反馈进行调节。

5.**测试和验证**:
-使用示波器测量关键波形（SW 节点、Vout、CS 引脚）,以确认突发模式行为和振荡。 根据这些观察结果调整 COMP/CS。
-在固定的 200mA 负载下进行测试,改变 Vin (6-9V) 和 Vout (10-60V) 以隔离过渡点。

###结论
由于在 LM5156+上进入突发模式、低电流 (190mA) 下效率低下以及发热过大、您的 220mA 升压设计面临着效率和稳定性问题。 根本原因可能包括补偿不理想、电流检测不足和高占空比不稳定。 良好的 PCB 布局可减轻这些设计挑战、但并未消除这些设计挑战、这表明需要调整元件和参数。

###紧急建议
-**立即行动**：
-将 CS 电阻器 µs 到 120mΩ 并添加斜率补偿 (10-20mV/μ s) 以稳定环路。 在 220mA 处重新测试并监测 SW 节点是否存在突发模式。
-将输出二极管替换为低 Vf 肖特基并优化电感器（例如 15 µH、1.5A 饱和电流）。
-增强 WSON12 焊盘下方的散热过孔并重新测试加热。
-**验证**：使用示波器验证 100 –600mA 范围内的输出电压调节和 SW 节点稳定性。
-**联系 TI 支持团队**：联系 TI 的 E2E 论坛 (e2e.ti.com) 或技术支持团队、了解您的原理图和波形、并提及 LM5156 升压问题。 提及您的 100kHz、6W 设计、获取定制建议。
-**回退**:如果未解决,考虑同步升压 IC（例如, LM5123,虽然限制为 57V ）或将设计调整到更窄的 Vout 范围（例如, 10-30V）以简化控制。

如果您可以分享您的原理图或 COMP/CS 值、我可以进一步优化。 祝您在截止日期前一切顺利！

此致、

尊敬的 Gordan：

感谢您使用 E2E 论坛。

我建议您填写随附的设计快速入门计算器并发送给我们。  

https://www.ti.com/tool/download/SNVC224

此致、

Hassan  

尊敬的 Hassan：

感谢您的支持。

您将找到已编译的开始计算器。  其中一段仅部分编纂：

第 7 步、环路补偿反馈电阻器部分、因为我将电流传感器转换为运算放大器测量的电流。 运算放大器是 TLV9302（（1MHz 轨到轨低失调电压）。

我可以向你提出以下建议：

1) 我可以发送 4 个 PCB 层设计+元件层来检查 LM5156 周围的布局
2) 我可以跟随你的所有示波器测量从这里
3) 我可以给您发送两个组装的控制器 PCB 进行分析

让我知道我如何对您的工作有用。

此致、

Gordan Rancic

尊敬的 Wowo：

我发送了原理图和申请。 如果你没有,请告诉我,我会尽快发送它。

一旦控制器开始正常工作、过热问题就会得到解决。

根据我的分析、我发现一旦电流增加到超过 200mA、COMP 引脚上就会出现不稳定。 在 190mA 之下、COMP 是稳定的、没有任何可见的变化（纹波非常小）。 一旦控制器进入突发模式、PWM 的长占空比（几乎 100%）和连续停止（电感器放电）就会产生过流、您可以观察到 COMP 上出现巨大的纹波。

我可以向你提出以下建议：

1) 我可以发送 4 个 PCB 层设计+元件层来检查 LM5156 周围的布局
2) 我可以跟随你的所有示波器测量从这里
3) 我可以给您发送两个组装的控制器 PCB 进行分析

让我知道我如何对您的工作有用。

此致、

Gordan Rancic

e2e.ti.com/.../LUX-Italia-LM5155_5F00_56_5F00_Quickstart_5F00_Calculator_5F00_for_5F00_Boost_5F00_Converter_5F00_Design_5F00_V1_5F00_1_5F00_1.xlsx

抱歉、附件丢失。

尊敬的 Gordan：

根据您的计算器值、您的设计似乎很好。 请 为开关频率和检测电阻添加正确的值。 它似乎与您的原理图值不同。

我建议使用计算器中的建议补偿值、因为您的电流补偿非常慢、相位裕度小于 60 度。  

您能给我发送以下信号的波形在 190mA 和 220mA (@10-12Vout ):开关节点（ FET 的漏源电压）, FB , CS ,栅极,输出电压。  

此致、

Hassan  

尊敬的 Hassan：

我在计算器中设置了 330KHz、以便 仿真原型上使用的 22uF 电感器。 我将按照计算器更改 COMP 元件。 今天下午、我将采取所有要求采取的措施、并将其发回给你。 非常感谢您的努力和支持。

此致、

Gordan

尊敬的 Hassan：

我完全根据计算器（随附在此处）修改了电路：

频率= 300kHz

Rcomp = 47k
Ccomp = 10nF
CHF = 100pF  

Rcs = 0.05 欧姆

我移除了 FB 引脚上的滤波器以使电路尽可能干净、这种情况以前会变得更糟。 控制器稳定的最大输出电流（连续 PWM）为 18mA。 高于此电压时、将进入不连续（突发）模式。

随附您将找到包含测量值的 PDF。 第一页符合 18mA 和 11.3V 条件、第二页符合 260mA 和 11.8V 条件。 第三页是 CS/12V、只需查看 600mA 引脚和 VOUT。

请注意、出于测试目的、我将 RC 短接至 0（源端直接短接至 GND、CS 短接至 0V）。 没有任何变化、仍为突发模式。

e2e.ti.com/.../Oscope-Measures-IC480.pdfe2e.ti.com/.../3225.LUX-Italia-LM5155_5F00_56_5F00_Quickstart_5F00_Calculator_5F00_for_5F00_Boost_5F00_Converter_5F00_Design_5F00_V1_5F00_1_5F00_1.xlsx

希望这有所帮助。

下一步是向您发送 4 层 PCB、检查布局是否产生问题。

保持联系。

尊敬的 Gordan：

感谢您的结果。

我下周回来给您解答。

此致、

Hassan  

非常感谢。 周末愉快

尊敬的 Gordan：

我已经浏览了您的示波器图、发现您的器件正在进入过压保护 (OVP)(OVP 阈值为 1.13V)、这会停止栅极开关。 由于您使用外部电流环路来控制输出电压、因此需要检查该控制环路、例如外部电流控制器的补偿。   

此外、CS 信号具有非常高的耦合噪声。 您能不能用非常小的接地环路连接再次发送 CS 信号？ 和设置 20mV/div、来提高信号的分辨率。

此致、

Hassan  

如果您想使用 LM5156 设计 LED 驱动器、也可以尝试使用 数据表中推荐的 LED 设计。  

由于该原理图是可编程的、因此我需要使用不同的 MOSFET 和电阻串联来设置 RFB 电阻。  在本例中、 我将有巨大的损耗（（1V @ 600mA = 0.6W、这意味着仅 RFB 上 10%的损耗）、我无法接受。

该解决方案不需要可编程。 MCU 仅用于检测故障信号、但没有任何运行链接。  

是的、使用该解决方案时、电阻器中确实存在损耗、但该解决方案非常便宜。

然而、要实现正确的电流环路运行、您需要正确优化电流环路控制器。

尊敬的 Hassan：

随函附上修改后的原理图的报告。 I 移除运算放大器并将 FB 直接连接至 Rsense = 1.6 Ω（约 Iout = 600mA）。 我短接 RCS 以忽略 MOSFET 上的过流、并删除了 UVLO 上的电阻分区、因此 UVL0 已禁用。

结果相同：仍处于突发模式。 FB 引脚变化似乎不够快、因此当控制器处于空闲状态时、由于电感器放电、输出上会出现电压过冲。 也许我必须移除 200uF 电容器、但记得我一开始就尝试过但没有成功。

计算器保持不变、只有振荡器更慢（从 300KHz 到 100KHz）。

有什么想法吗？ 我是的想法:(

e2e.ti.com/.../Schematic-Modified-05_2D00_08_2D00_2025.pdf

尊敬的 Gordan：

不应移除 Rcs 电阻器。 该器件在峰值电流模式下运行、需要峰值电感器电压来执行精确的开关。

只需放置 Rcs 电阻器、然后在没有运算放大器电路的情况下重试。

此致、

Hassan  

尊敬的 Hassan：

我插入了 0.05 欧姆 Rcs 电阻器、使用 600mA 时、可达到最大 30mV 没有变化、控制器仍处于突发模式。 您可能需要 PCB 布局来检查布局是否错误？

尊敬的 Gordan：  

好的、您可以向我发送设计所需的 Altium 文件。

同时、您可以尝试使用普通的反馈分压器电路并检查器件的行为。  

只需将输出设置为所需输出电压范围内的任何电压、并施加不同的负载即可检查器件是否正常开关。

此致、

Hassan  

尊敬的 Gordan：

我想在正常升压操作（仅电压环路）下检查您的设计。 您的设计在一定程度上是稳定的。 我们可以继续下去。  

我再次建议您使用 计算器中的建议补偿值。  

有一个美好的假期。

此致、

Hassan