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[参考译文] LM5121:12-24V 至50V@150W 设计验证

Guru**** 2382680 points
Other Parts Discussed in Thread: LM51551, LM5121, LM5122, LM5123EVM-BST
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https://e2e.ti.com/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/1301069/lm5121-12-24v-to-50v-150w-design-verification

器件型号:LM5121
主题中讨论的其他器件: LM51551LM5122LM5123EVM-BST

您好!

我用12-24V 输入(最小10V、典型值 12V)至50V 输出、峰值功率为150W。 我制作了一个简单的 Excel 电子表格来简化计算、黄色单元格是用户输入。 考虑到转换器在30-100W 负载范围内的大多数时间都能工作、并且有时会在几分钟内使用150W 峰值功率、您是否能够检查我的计算和原理图?

提前感谢您。

您好!

巴特

e2e.ti.com/.../lm5121_5F00_schematics.pdfe2e.ti.com/.../lm5121_5F00_calc.xlsx

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    Bart、您好!
    感谢您通过 e2e 联系我们。

    原理图看起来基本上还可以。但我还没有时间去看每个组件。

    我可以看看您的计算、但我们的小团队的所有成员都将非常繁忙、直至下周二。
    因此、需要一些时间来验证您执行了什么操作。

    请允许我提出一个不同的办法:
    请从我们的网站下载 PowerStage Designer 工具(您需要执行小型的出口管制验证)。
    www.ti.com/.../POWERSTAGE-DESIGNER

    这是一个非常好的工具、可以帮助您计算功率级的外部元件。
    不要被升压拓扑的图片弄糊涂。 它显示异步作为升压、但它也可用于同步版本。

    我将在下周上半年与您再谈更多关于该化学的反馈。
    在此之前、您可以使用功率级设计器来帮助进行进一步的计算。

    此致
    哈利

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    Bart、您好!  

    还有一个问题:  
    我刚刚看到您第一次尝试 LM51551的另一个线程。

    我想问一下您现在为什么选择 LM5121?  
    此器件是否有您需要的特定特性?

    老实说、LM5121/LM5122是相当老的产品、我们的支持是有限的。
    我是否可以建议大家改用 LM5123?
    该部件带有快速入门计算器工具、它将帮助您大量地设计您的应用。

    目前、快速入门计算器很难找到。

    请使用数据表第9.2.2节中提供的链接:
    SLVRJ1计算工具| TI.com 

    谢谢。此

    致、 哈利
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    您好、Bart:

    很抱歉直到现在才收到我们的回复。
    您能告诉我该主题的当前状态吗?

    您是否仍然对 LM5122器件感兴趣并需要进一步检查计算结果、或者我们能否让您相信更新的 LM5123器件?

    如果您有关于这些器件的任何其他未解决问题、请告诉我。

    谢谢、此致、
    尼克拉斯

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    嗨、Niklas、嗨、Harry、

    很高兴听到您的声音。 我之所以选择 LM5122是因为我在使用这款芯片方面拥有良好的体验。 最新的 LM5123虽然看上去一切正常、但不能冒险使用 LM51551等器件出现另一种故障。 也许我将来会试一下、但现在我要继续使用 LM5122。

    您好!

    巴特

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    您好、Bart:

    感谢您的更新。
    然后、我将对上面发布的 LM5122设计进行审查、并在明天之前提供反馈。

    非常感谢您的耐心。
    此致、
    尼克拉斯

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    您好、Bart:

    我已查看了 LM5152原理图和计算表。
    我将您的结果与我们的 Power Stage Designer 结果进行了比较。 (这是该主题前面 Harry 推荐的工具)


    计算与您的计算结果相匹配。 仅当我将电感器电流纹波设置为80%时、10uH 的电感才匹配。
    常见的纹波额定值仅为30%左右、以降低电感器损耗。 这就表明电感为26uH。
    电感器内的峰值电流也不匹配。

    此处工具看到的峰值电流最差、为16.82A、因此请确保电感器能够支持这些电流额定值。
    该工具还附带稳定性环路计算器、可生成波特图、这对于双重检查补偿非常有用。

    原理图的所有其他部分看起来都很好。

    此致、
    尼克拉斯

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    您好、Niklas、

    感谢您的反馈。 我设计了两块采用 LM5121的 PCB、其中一块在150W 负载下工作良好、第二块即使没有负载也无法启动-我不知道有什么问题、 但我决定将其搁置一段时间、然后给 LM5123一试另一个 PCB 设计。 请保持该线程打开一段时间、我将在 LM5123启动后重新启动测试并反馈。

    此致、

    巴特

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    您好、Bartosz、

    您应该  首先在非同步解决方案(LM51551)和同步解决方案(LM5121、LM5123)之间进行选择。

     非同步 解决方案更简单、效率更低。

      使用 LM5123时应注意 SW 额定电压。

    此致、

    冯志

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    您好!

    我@LM5121和 LM5123测试这两种解决方案、后者挺有希望的、但正如 S ã o Feng Ji 指出的、它停止在高负载下工作-可能是由于 SW 引脚上的电压高于 IC 可接受的电压。 我无法通过调节 LM5121使其正常工作、因此我决定稍微改变一下工作条件、只使用计算结果坚持到数据表中。

    我已经将环路计算与电源设计器进行了比较、它们似乎匹配得非常好。 对于1A 负载、增益裕度保持在-36dB 以内、而对于4A 负载、增益裕度降至-19dB、其中相位裕度始终保持在60度左右。

    我选择的电感器似乎是现成可用的最大电感中额定电流最高的电感器。

    您能否查看原理图和我的计算结果以验证它们是否正确? 我稍后会附加 PCB 设计。

    提前感谢。

    您好!

    巴托什

    e2e.ti.com/.../lm5121_5F00_sch.pdf

    e2e.ti.com/.../0825.lm5121_5F00_calc.xlsx

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    您好、Bartosz、

    我刚刚从假期回来。 今天稍后我会详细介绍。  

    此致
    哈利

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    哈利、您好!

    感谢您的回复。 如前所述、我附加了 PCB 视图(我不知道为什么顶层元件下方没有过孔、但请忽略它、它们在那里)。

    此致、

    巴托什

    e2e.ti.com/.../lm5121_5F00_pcb.PDF

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    您好、Bartosz、

    也许我在本主题前面的某个地方忽略了这些信息:

    您能告诉我、您使用的是 LM5121而不是 LM5122吗?

    谢谢。此

    致、 哈利
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    哈利、您好!

    只是一个老习惯,我用过它一次,它起作用,所以我决定再次使用它。 除了 LM5122中缺少断开开关和续流二极管而有利于时钟同步之外、LM5121和 LM5122之间是否有显著差异? 如果计算方法保持不变、我可以在当前设计中添加一个短接字段、以便尝试 LM5122、但与此同时、您能看一下原理图和 PCB 设计吗?

    感谢你的帮助。

    此致、

    巴托什

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    您好、Bartosz、

    我对评论的延误感到抱歉。
    除了不同的功能集外、这两种部件基本相同。
    只要您能为断开开关找到合适的 FET、该 FET 可以线性模式下处理所需的电流、就一切正常。

    谢谢。此致、
    哈利

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    哈利、您好!

    感谢您的回复、我已经额外添加了三个0欧姆电阻器、这使我能够将 LM5121替换为 LM5122。 我还订购22uH 电感器和15uH 电感器、以检查转换器的开关频率是250kHz、而不是300kHz。

    您有没有机会了解一下原理图、计算和 PCB 设计?

    此致、

    巴托什

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    您好、Bartosz、
    我想道歉,我不能再回到上星期的审查。

    以下是我的评论:

    原理图和计算结果:
    本主题开始时、您提到了150W。
    但计算是针对200W 设计完成的。

    如果是150W、则电流检测电阻 R2应设置为4毫欧。
    在这种情况下、所选电感器的额定电流可能是可以接受的。

    对于200W 的情况、3毫欧的感应电阻值没有问题。
    但电感器的饱和额定电流不够好。

    请记住、计算得出的峰值电流是理论值。
    要保持远低于饱和点、它不考虑任何容差、损耗或额外裕度。

    关于电感值、我建议如下:
    如果输入电压通常为12V、但在特殊情况下仅达到26V、则可能需要选择电感值较小的电感器。
    特别是对于输入电流更高的200W 系统、它甚至可能降至5uH。

    我没有实际计算补偿网络。
    HF 电容器似乎相当大、我通常期望值在1uF 以下的范围内。
    计算出的值无论如何都可以只是一个起点。 由于电路板寄生元件的影响、应通过实验室实验获得适当的值。

    布局:
    我对陶瓷输入和输出电容器的放置以及电源接地概念不太满意。
    请考虑输入侧和输出侧的电流环路(包括 GND 返回路径)。
    那些电流超出电流范围的电容器(GND 端子指向电路板边缘的电容器)几乎没用。
    请尝试将功率级元件、尤其是陶瓷电容器的 GND 引脚和低侧 FET 的源极引脚尽可能靠近放置、如我们的数据表所示。
    请参阅随附图像中以红色标记的 GND 引脚。
    您也可以使用 LM5123数据表中的概念作为示例。

    此致
    哈利

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    哈利、您好!

    非常感谢您提供的宝贵意见、非常感谢。

    我知道所有计算都是纯理论值-我已选择了 Isat/price 比率可接受的最佳电感器、转换器偶尔会在160-180W 负载下工作(只需要几秒钟)、因此我希望可以。

    我已经订购了测试 PCB 和一些组件、我将在下周开始测试、并立即告诉您结果。

    此致、

    巴托什

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    您好、Bartosz、

    如果电感器达到饱和并且电流急剧上升、即使是"只有几秒"也会过长。  

    对于大规模产品、我强烈建议为所有最坏情况(容差、温度等)留出足够的裕度。  

    此致、
    哈利

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    哈利、您好!

    我明白您的观点-在电子世界中、数秒是永恒的。 我需要测试我的电源接收器是否需要超过150W 的功率、因为这些160-180W 功率只是假设性的。 我的研究表明、它应该需要更大或更小的140W。 如果需要更大的 Isat 电感器、我可以始终使用 AGP42233-153ME (例如用于大规模生产)。

    此致、

    巴托什

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    您好、Bartosz、

    还可以。 因此、在您的实验室测试中、请注意最坏情况下的实际电感器电流。

    此致、

    哈利

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    哈利、您好!

    我用 LM5122焊接了一块、已经损坏了3个低侧晶体管、完全不知道是为什么。 我的方法是先测试无负载的转换器(待机负载仅为10k 电阻器)。

    启用电源后、我看到输出电压上升到50V、但随后开始下降、我的电源切换至 OCP。 我可以截取低侧晶体管栅极的输出电压和电压。

    1.输出电压

    2.放大的输出电压

    3、低侧晶体管栅极放大(放大部分以上是整个波形的预览)

    4.低侧晶体管栅极-开关之间的时间

    您是否知道低侧晶体管在达到输出电压后几乎立即被杀死的情况?

    此致、

    巴托什

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    您好、Bartosz、
    很遗憾听到您的设计有问题。

    FET 可能会因过压(过冲)、过流(例如由于电感器饱和)或因过热原因而损坏。

    首先、我建议在其他 FET 的栅极线路中添加栅极电阻器(可能为5 Ω)。
    我还会要求您提起输入侧的电感器。 所以您可以引入一个短电缆环路。 这将使您能够使用电流探头测量电感器电流。

    此致
    哈利

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    哈利、您好!

    经过更多测试、我想将低侧 FET 更改为更大的 FET -它起作用、因此电压过冲似乎很有可能-稍后我会切换回默认 FET、在源极和漏极之间增加了额外的肖特基二极管、以检查它是否有帮助。 我目前没有电流探头、但我会在需要时考虑借用电流探头。

    测试了空载条件、因此我开始对转换器进行负载测试、结果如下所示:

    50 Ω 负载–正常、电压输出50、9V

    100 Ω 负载–正常、电压输出50、9V

    125 Ω 负载-不正常、电压输出38、7V、可闻开关噪声

    我的初始想法是降低开关频率、因此用36、5k Ω 电阻器代替 R12、从而有效地将开关频率从300 kHz 降低到246、5kHz 左右、结果如下:

    50 Ω 负载–正常、电压输出50、9V

    100 Ω 负载–正常、电压输出50、9V

    125 Ω 负载-不正常、电压输出40V、可闻开关噪声

    在两个版本之间、125欧姆负载时、电压略有上升、我不知道下一步应该寻找什么可能的问题-增加 Rslope? 更改补偿电路? 增加软启动时间?

    我将感谢任何提示。

    此致、

    巴托什

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    您好、Bartosz、

    请允许我们花点时间就此问题与您联系。

    谢谢!

    Br、

    哈龙

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    您好、Haroon、

    我已经取得了一些进展、我应该将其称为里程碑。 我已经执行了我在前一条消息中所写的操作-我已经在源极和漏极之间并联了两个低侧 FET、并添加了肖特基二极管、它运行得很好(嗯、几乎、但它不会立即杀死 FET)。

    此设计在高达150W 的功率下运行得很好、但晶体管会产生很大的发热、我在达到90°C 后就停止了测试。

    我将订购一些散热器、以便在150,175和可能的200W 负载下进一步测试它。

    我会随时通知您、并会毫不犹豫地询问是否出现任何问题。

    此致、

    巴托什

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    您好、Bartosz、

    很高兴听到您正在取得进展。
    请看一下您的开关节点电压。
    如果最初有大过冲导致 FET 死亡、则需要减少。
    过高的正电压和过大的负电压也会损坏 LM5121。

    许多人低估了布局的重要性。
    而且-正如我之前所说的-您的布局有很大的改进空间。
    您需要使所有电源环路尽可能小。
    正反向(GND)路径之间的封闭区域需要保持较小。
    此外、输入电容器和输出电容器的 GND 连接应靠近。
    布线长度每增加1毫米就会增加寄生电感、从而导致下冲和过冲。
    尤其是在您要处理的功率和电压电平下。

    在二极管或大 FET 中燃烧这些尖峰(过冲)可能是一种权变措施、但根据您的经验、这些器件会发热很多。

    此致、
    哈利

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    哈利、您好!

    我知道您对寄生电感的看法-完成测试后、我将创建另一个设计、并尝试创建尽可能短的电流路径。

    我还检查了开关节点低于50欧姆和25欧姆负载、电压不低于-3V 和高于58、8V -下冲让我有点担心、所以电流路径肯定需要改进。

    说到布局改进-您是否认为 LM5123EVM-BST 板具有正确的电流路径? 这是我在重新设计时可以依赖的东西。

    此致、

    巴托什

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    您好、Bartosz、

    LM5123 EVM 不反映数据表中给出的建议。
    因此、我不建议复制该 EVM 中元件的布局/放置方式。
    至少应该将感应电阻器和陶瓷输入电容器从顶部移开、并将它们放在电感器的左侧。
    也许还可以通过90°转动电感器、但使开关节点保持较小。

    最后、(陶瓷)输入电容器、低侧 FET 和陶瓷输出电容器的 GND 端子之间的距离应尽可能短。
    避免用功率级元件围绕控制器。
    请遵循这两个数据表(LM5123和 LM5121)中的书面建议。

    此外、请勿对功率级组件和栅极驱动信号使用散热连接。
    我知道这会使焊接更加困难、但必须进行可靠连接。

    此致、
    哈利

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    哈利、您好!

    感谢您提供的所有提示、非常感谢。

    我是否有机会私下与您分享我的设计以进行评论?

    此致、

    巴托什

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    您好、Bartosz、

    请给我们一些时间与您联系。

    谢谢!

    Br、

    哈龙

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    您好、Bartosz、

    在接受友谊请求后,我们应该能够交换私人消息。

    此致、
    哈利