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[参考译文] LM5155:SEPIC 拓扑、MOSFET 过热

Guru**** 2553450 points
Other Parts Discussed in Thread: LM3478, LM5155

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/861412/lm5155-sepic-topology-excessive-mosfet-heating

器件型号:LM5155
主题中讨论的其他器件:LM3478

你好

我最近就在 SEPIC 拓扑中使用 LM3478时的仿真问题与您联系过。 不过、我想在我的设计中使用 LM5155、您为我提供了瞬态模型来仿真电路。
https://e2e.ti.com/support/power-management/f/196/p/855129/3184699?tisearch=e2e-sitesearch&keymatch=lm3478%20simulation#3184699

同时、我制作了一个评估板、用于测试采用 LM5155的 SEPIC 电路。 我根据 AN-1484进行了计算/尺寸标注。

要求是:

Vin = 5..20V、Vout = 12V、Ioutmax = 5A

计算结果为我提供了:

L1=L2=700nH (耦合)(使用 SRF1280A-R47Y)

您可以看到下面的原理图中使用的其他组件。 我遇到了几个问题,我想与大家分享这些问题,并希望能获得一些改进电路的技巧。 您能看到任何主要尺寸标注错误吗?

问题:

当消耗的 Iout=1A (远低于最大值)时、MOSFET (BSC022N04LSATMA1型)已在大约85°C 的温度下加热。 2分钟 MOSFET 中的功率耗散太高。 根据我在 Iout=1A 时的计算结果、MOSFET 功率耗散应为226mW。 但是、226mW 不应导致元件过热、因此我假设开关损耗高于预期值。 我知道,我板上的 MOSFET 没有作为冷却区域安装在6cm^2铜方上(如 MOSFET 数据表中所述,RthJAmathx=50K/W)。

当然可以选择降低开关频率,但我想了解计算与评估板之间的差异。

测量 MOSFET 的栅极电压时、我观察到越来越陡峭的边沿、但存在栅极振铃。 栅极振铃通常是由栅极环路寄生效应引起的。 但是、我的布局中的栅极环路非常小、从转换器到栅极的连接也很小。 您是否知道该栅极振铃来自何处? 我还在下面添加了布局。
插入栅极电阻器来抑制振铃没有任何帮助、因为它还会减慢栅极电压的上升速度(而更长的开关时间会导致 MOSFET 中的功率损耗更大)。
您是否知道该栅极振铃来自何处以及如何处理它?

我还测量了 MOSFET 的漏极电压(CH2)和感应电阻器(R10)上的电压。 我假设振荡/噪声来自栅极振铃。

电路仿真没有显示出这种行为、运行得相当好。 请在下面找到该电路。

提前感谢您的任何帮助!

此致、

Martin

e2e.ti.com/.../LM5155_2D00_Q1_5F00_TRANS_5F00_SEPIC.TSC

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    您好、Marin、

    支持此设备的专家因感恩节假期而不在办公室。 他们下周回到办公室时将回答这个问题。

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    尊敬的 Martin:

    我刚回到办公室,在接下来的两天里,我会看一下,并给你答复。

    谢谢、

    Youhao

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    你(们)好

    有任何有关这方面的新闻吗?

    此致、  

    Martin

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    尊敬的 Martin:


    我可能已经对我的行动项目中的另一项任务感到困惑、因为我上周标记了"已回复"。 很抱歉耽误你的时间。

    您仿真的模型为4.7uH。  您选择0.77uH、这似乎不是适当的选择。  从波形中可以看出、由于电感器较小、电路以深度 DCM 运行。 电感器越小、纹波电流越大、因此 MOSFET 和电感器中的 RMS 电流和损耗也就越高。   您能否将耦合电感器替换为4.7uH 的电感器?

    谢谢、

    Youhao

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    你(们)好

    我对您提到的一些问题有点困惑。

    >>您仿真的模型为4.7 μ H。

    仿真中实际上有一个0.94uH 耦合电感器?

    >> 您选择0.77uH、这似乎不是适当的选择。

    我在 AN-1484之后计算了电感器的尺寸。 计算结果为:

    L1=L2=0.7uH (耦合)  

    使用参数:VIN=5..20V;Iomax=5A;FSW=540kHz;Vout=12V;Vd=0.3V

    因此、我选择 了 SRF1280A-R47Y、其中0.47uH 是两个电感器并联额定值的值、因此一个电感器为0.94uH、当计算出0.7uH 时、这似乎是一个合适的选择。


    >>您能否将耦合电感器替换为4.7 μ H 电感器?

    是的、我是这样做的。 我现在配备了一个 SRF1280A-4R7Y、其中一个电感器为9.4uH。 这确实导致 MOSFET 中的发热更少。 10分钟后、我仍然有大约67°C 的温度、绘制的 Iout=1A (仍然远离所需的温度)。 此外、栅极振铃似乎更大。 请参见下面的图片。

    我是计算还是做了错误的事情?

    提前感谢您的参与

    Martin

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    振铃太大。  您能否将栅极电阻器从0欧姆增加到2欧姆和5欧姆(请同时测试这两者)、并看到任何改进?

    您还需要向 MOSFET 添加散热器、以帮助其冷却。  MOSFET 中同时存在导通损耗和开关损耗。   

    谢谢、

    Youhao

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    你(们)好

    刚刚使用不同的栅极电阻器进行测试:

    RG=2.2欧姆导致的过热大于0r (5分钟后为70°C)。 此外、栅极电阻器的温度几乎与 MOSFET 一样高。 请参阅以下测量:

    栅极振铃没有显著衰减。

    Rg=4.7欧姆时产生的热量比2.2欧姆时更大(3分钟后为70°C)。 此外、栅极电阻器的温度几乎与 MOSFET 一样高。 请参阅以下测量:

    栅极振铃也没有显著衰减。

    我知道在该测试中、MOSFET 上没有散热器。 我曾假设即使没有散热器、也能够在没有 MOSFET 过热的情况下生成更多的输出功率。

    此致、  
    Martin

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    尊敬的 Martin:

    您应该考虑更改布局以使交流电流环路变得紧凑小巧。 您现有的 PCB 具有较大的交流电流环路: COUT --> Rsense --> MOSFET-->开关节点--> Cout。  该环路应具有直接和短距离。  我会将 MOSFET 旋转180度、并将 Rsense 靠近 Cout 接地焊盘放置。  因此、可以大幅降低寄生电感、以避免在开关边沿发生严重振铃。

    目前、您可以尝试在 Rsense 的 MOSFET 漏极和接地端添加一个 RC 缓冲器、并查看是否可以抑制振铃。  

    此外、请使用设计计算器帮助计算 MOSFET 损耗、然后进行热评估。   

    https://www.ti.com/lit/zip/snvc224

    谢谢、

    Martin

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    你(们)好

    我同意、AS 电流环路应该更小。 但是、将 MOSFET 旋转180度将一方面改善交流电流环路、另一方面使开关信号环路(栅极-> MOSFET -> RS -> GND ->栅极)恶化。 我认为、我必须考虑在下一个测试板中采用更好的新布局。

    我将尝试1月推荐的 RC 缓冲器、然后告诉您结果。

    我尝试使用您的快速入门计算器计算 MOSFET 损耗、结果在 Iout=1A 时约为200mW、这与 AN-1484中的计算大致相同。 这与不幸完成的测量不匹配。

    感谢您在这种情况下提供的帮助、祝您圣诞节快乐!


    此致、  

    Martin

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    尊敬的 Martin:

    如果您旋转 MOSFET、您可以重新布置栅极走线。  到栅极的走线和从电流感测接地焊盘 到 IC PGND 引脚的返回走线可被定制、这样栅极驱动电流环路不会占用太多空间。  栅极和返回布线可以并排布置、以最大限度减小空间面积、因此驱动信号应该正常。  

    感谢您的客气话、祝您圣诞节快乐、新年快乐!   

    此致、

    Youhao