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[参考译文] LM5122:升压转换器在驱动直流电机时发生振荡

Guru**** 2769425 points

Other Parts Discussed in Thread: LM5122, LM5121

请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/1506959/lm5122-the-boost-converter-oscillates-when-driving-a-dc-motor

器件型号:LM5122
主题: LM5121 中讨论的其他器件

工具/软件:

您好、

当唯一负载是功率 LED 时、基于 LM5122 的升压转换器的输出稳定在大约 38V。 然而、一旦我连接直流电机、输出电压就会上升、然后每 3–5 秒崩溃一次、无限期地重复此周期。

为转换器供电的工作台电源可提供高达 10A 的电流、这会超过电机的浪涌和运行电流。

原理图和 PCB 布局(随附)是从 TI 的评估板复制而来、我尽可能严格地遵循了布局指南。

在电机负载下、什么因素可能导致出现周期性的上升和下降行为、如何稳定输出? 任何有关测量或元件更改的建议都将不胜感激。

Schmatic 图像: https://ibb.co/ycnYxnRS

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    尊敬的 Sinan:

    感谢您使用 e2e 论坛。
    您所附的图片似乎未加载、因此我无法打开它们。
    此外,您所连接的链接会导致一个网站被我们的系统阻止。

    您能尝试重新附加波形和原理图吗?
    要审查设计、您是否还能提供 VIN(最小值和最大值)、VOUT 和最大负载的参数?

    谢谢、此致、
    Niklas

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    您好、Niklas、

    我编辑了我的帖子并重新上传了图像。

    VIN (min):10V
    VIN (max):14V
    VOUT:37V 至 38V

    在正常工作期间、负载电流通常保持在 7A 至 8A 左右。 但是、由于所连齿轮具有初始机械负载、因此启动时该值较高。

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    尊敬的 Sinan:

    感谢您的重新上传和参数。

    现在、我不能说造成断续振荡的根本原因是什么。 为此、您可以在故障情况期间进行波形测量并测量 VOUT 和 SW 电压会有所帮助。
    这可能会向我们显示它是否与系统的不稳定有关。

    我对该设计有一些一般性评论:
    原理图:
    - C4 是自举电容器。 是 10uF 还是 100nF? 100nF 是更好的选择、因为该电容器应小于 VCC 电容器 C7。
    -补偿应该是稳定的,但你可以尝试另一组值,看看行为是否改善。
    对于给定的规格、我建议将 R11 和 C13 替换为 34k Ω 和 70nF。 (基于我们的功率级设计器计算器工具)

    布局:
    -是否在 Cin/Cout 电容器附近的电源接地平面上放置了任何过孔?
    从低侧 MOSFET GND 返回到输入/输出 GND 的环路对于功率级至关重要、应尽可能短。

    谢谢、此致、
    Niklas

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    您好、Niklas、

    我不在城里、在大约两周内就可以使用测量设备。 我会在我返回后立即分享您请求的测量结果。 谢谢你。

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    尊敬的 Sinan:

    感谢您的更新。
    我期待着你的结果。

    此致、
    Niklas

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    e2e.ti.com/.../output_5F00_of_5F003101_nductor.mp4e2e.ti.com/.../power_5F00_in.mp4e2e.ti.com/.../output_5F00_of_5F00_the_5F00_mos.mp4

    电源输出稳定在 2A、但几秒钟后降至 1A、然后再次恢复为 2A。 电源额定输出电流为 10A。 使用 120A 电池进行测试时、我得到了相同的结果。 我上传了一些视频。

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    你好、Sinan Atilla、

    电机是电感负载、可能会导致器件的调节出现问题。 请使用快速入门计算器 ( LM5122-BOOST-CALC 计算工具|德州仪器 TI.com) 查看您的设计

    电机转速是否可能与 LM5122 的交叉频率有关?

    您可以通过向输出端添加一个大电容器来进行检查(确保 LM5122 仍保持稳定)。

    此致、
    Brigitte

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    您好 Brigitte、

    我使用了您分享的计算工具并进行了一些调整、但我仍然可以获得相同的结果。 我添加了高达 10 000 µF 的输出电容器、并尝试了具有相似额定电流的不同电机、但问题仍然存在。 有趣的是、当我使用功耗比电机低的电源 LED 进行测试时、不会发生问题。

    您能否给出我应该对输出电流限制设置进行哪些更改的建议、或者推荐更适合此电机的升压转换器?

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    尊敬的 Sinan:

    感谢您的反馈。
    在建议进一步调整之前、您能否将原理图与您已执行的更改再次共享?
    我还询问了一个有关 GND 平面上过孔的布局问题。 你有这个问题的答案吗?

    布局:
    -是否在 Cin/Cout 电容器附近的电源接地平面上放置了任何过孔?
    从低侧 MOSFET GND 返回到输入/输出 GND 的环路对于功率级至关重要、应尽可能短。

    谢谢、此致、
    Niklas

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    您好、Niklas、

    我刚刚接触到电路板、并通过在 PCB 上钻孔来手动实现您的 GND 连接建议。 随着这种变化、每几秒的周期性速度波动消失、现在在相同的输出电压下稳定运行。 但是、在负载条件下、输出电压降至 16V、而在空载条件下、我看到的输出电压为 37V

    我怀疑电源。 我将尝试另一个版本。

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    尊敬的 Sinan:

    我再次检查了原理图、到目前为止我遗漏了一个主要误差。
    您能否检查 SW 引脚和开关节点本身之间是否存在连接?
    否则、高侧 FET 无法正常导通、并且仅通过高侧 FET 的体二极管将器件作为异步升压运行。
    这在空载时可以正常工作、但在较高负载下、高侧 FET 最终将断开。

    也许您可以在 C4 的焊盘与高侧 MOSFET 的源极之间添加一根导线?

    很抱歉我在第一次评论中错过了这个。

    此致、
    Niklas

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    您好、Niklas、

    尽管多次查看了 EVK 原理图和 TI 工具推荐的原理图、但我还是错过了这个关键连接。 如您建议的那样、我使用一根导线将 C4 桥接至 MOSFET 高侧、但它不会改变结果。 输入电压为 12V 时、输出电压约为 15.5V。您是否希望使用示波器探测任何特定节点? 重申一下、在~2A–3A 负载下一切似乎都正常。

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    尊敬的 Sinan:

    感谢您的更新。
    您是否可以使用示波器探测以下信号:
    - VOUT
    - SW
    - COMP
    - VCC

    在此基础上、我们应该能够缩小未达到 VOUT 目标的原因。

    谢谢、此致、
    Niklas

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    您好、Niklas、

    我已上传示波器视频。
    e2e.ti.com/.../zeyvid.mp4

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    尊敬的 Sinan:

    感谢您记录波形行为。

    在我看来、器件正在开关并尝试升高电压、但在复位之前会停止更长时间。
    这可能与器件的断续过载保护功能有关。
    数据表中提供了说明:

    如果启动期间的浪涌过高、器件将复位、器件始终无法实现输出电压目标。

    要验证它是否真正具有断续保护、您可以将 C9 电容器替换为 0 Ω 电阻器。 这会将 RES 引脚缩短到 GND 并禁用断续功能。

    另一种选择是使用更大的软启动电容器 (C8)。 这将减慢电压斜升、从而降低总浪涌电流。

    此致、
    Niklas

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    您好、Niklas、

    如您建议的那样、将 C9 电容器短接至 GND(我没有可用的 0Ω 电阻器,因此直接将其短接)。 对于 C8、我安装了一个 1 µF 电容器。 我正在分享下面的示波器波形。

    目前、电路不再进入启动/停止行为、但在 12V 输入下、输出仍可升至最大 15.5V。可调电源设置为 12V / 5.5A。当我为系统加电时、电流约为 1.68A、但输入电压降至 11.68V

    我考虑重新绘制电路并在新的 PCB 上组装所有元件、以确保不会出现布局或焊接相关问题。


    e2e.ti.com/.../7356.vid.mp4  

    此致、



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    尊敬的 Sinan:

    感谢您的更新。
    即使您禁用断续功能、仍然存在常规的逐周期过流保护、因此在电感器电流过高时、占空比会受到限制。
    检查布局是否存在任何 GND 短路是一个好主意。
    如果电源上的电流为 1.8A、负载条件是什么? 根据输出负载判断该值是否有意义、或者是否在输出上没有负载的情况下运行?

    此致、
    Niklas

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    您好、Niklas、

    我确定问题是电机的启动电流不受电源或 24Ah 电池的支持。 将电池和电源并联后、现在可在负载下的输出端实现 37V 电压。

    但是、电感器和 MOSFET 已经开始升温。 我将在不使用散热器的情况下尝试处理此问题。
    我目前正在使用 AGM035N10A MOSFET 和 FSA1360-4R7MT 电感器。

    MOSFET 的额定电压为 100V、112A、3mΩ@10V 和 104W。 我估计平均输入电流约为 27A、占空比为 0.68。 每个 MOSFET 的导通损耗约为 1.3W、高侧 MOSFET 的开关损耗约为 4.4W。

    电感器具有 9mΩ DCR、因此在 27A 下会产生大约 6.6W 的损耗。 包括磁芯损耗、I 估计约为 8W。

    这总共会增加约 20W 的损耗。 我计划重新设计具有更低 DCR 电感器和具有更低 Qg 和 Rds (on) 的 MOSFET 的电路。

    我还想添加大约 1-2 秒的软启动。 您对此有何建议?

    目前、系统根据 EVM 值在 250kHz 的频率下进行开关。 如果我将开关频率降低到 100kHz、您会看到任何问题吗? 我认为这是为了减少开关损耗。

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    尊敬的 Sinan:

    您计划的更改听起来合理。
    您可以通过增加 SS 电容 (C8) 来增加软启动时间
    也可以将开关频率降低到 100kHz。
    请使用我们的快速入门计算工具来了解建议值如何变化、并相应地选择用于补偿、感应电阻和电感器的元件。
    https://www.ti.com/tool/download/LM5122-BOOST-CALC

    此致、
    Niklas

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    您好、Niklas、

    我发现、LM5121 似乎比 LM5122 更适合电机驱动应用。 但是、当我尝试使用 TI Power Designer 使用 LM5121 更新我的设计时、发现 LM5121 不适合 10A、37V 输出设计。 您认为 LM5121 会是更好的选择、还是应该继续使用 LM5122?

    此致、



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    尊敬的 Sinan:

    LM5122 和 LM5121 之间的主要区别在于这一点
    LM5122 具有多相功能、
    LM5121 具有断开 FET、用于减少电源开启期间的浪涌电流或在关断状态期间将 VOUT 与 VIN 完全断开。

    除此之外、这两款器件在功能和功耗方面是相似的。

    此致、
    Niklas

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    您好、Niklas、

    我继续讨论这一主题主题。 如果不合适、我可以打开另一个。 我打算继续在这里,直到问题完全解决:)

    我分享了下面的原理图和 PCB 视图、您能看一下吗?





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    尊敬的 Sinan:

    感谢您的更新和新文件。

    我将原理图与之前的设计进行了比较、并批准在修订中实施的所有更改。
    原理图对我来说看起来很好。

    关于布局、仍有一些可能的优化:

    - SW 布线和 HO 布线应彼此非常靠近。 SW 布线是高侧驱动器电流的返回路径、因此将 HO 和 SW 彼此靠近放置将降低系统噪声。
    我以黄色突出显示了这两条迹线。

    -开关节点平面放置了大量过孔。 这些过孔是否用于散热、或者有其他用途?
    当 SW 平面上升和下降时、它将使节点面积更大增加噪声、尤其是在它遍历多个层的情况下。

    -现在放置过孔,将 LO MOSFET 接地与输入/输出接地连接,这是很好的。
    由于接地路径相当长、因此 LO MOSFET 本身的放置仍然不理想。 如果 MOSFET 可以放置在电感器上方、则放置位置更理想。 但是、由于尺寸限制、我不知道这是否可行。
    EVM 参考板:

    此致、
    Niklas

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    您好、Niklas、

    感谢您的支持。

    为了冷却 Q1 MOSFET、我将在底层上创建一个与 Q1 焊盘具有相同面积的平面、并使用过孔进行热量传递。 我不想添加外部散热器。 如果您有任何其他建议来通过减少 EMI 问题来改进散热、请与我分享它们。

    我已经根据你的建议作出了调整。 我无法更改 PCB 尺寸、并且高的零部件必须保持在中心。

    如果您对此最终版本有任何其他建议、请告知我、这样我就可以在发送 PCB 进行原型设计之前添加这些建议。

    此致

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    尊敬的 Sinan:

    感谢您提供了设计更改。
    我觉得新的元件放置方式看起来非常好。
    现在、存在非常短的功率级环路、SW 和 HO 的布线也非常接近。
    可以在 SW 平面上使用过孔进行散热。 管理热行为和 EMI 通常需要权衡取舍、因此务必要在二者均达到可接受的水平时找到平衡。

    我方面没有进一步的改变建议。

    此致、
    Niklas