[参考译文] LM5157：不稳定性问题

您好，Boris，

感谢您通过 e2e 联系我们。

答案很简单：您需要选择另一个电感器。

电感器需要能够处理峰值电流、因此不要使用平均电流进行计算。
当电感器升温时、电感值将降至标称值以下。
该问题一段时间后出现的事实证明、这不是系统故障、而是某种热问题。
此外、开关频率越高、它的发热越多。 1 MHz 真的很必要吗？

峰值电流达到饱和电流时、已损失约30%的电感。 (仅3.3uH、而不是4.7uH)。
电感值降低后、转换器将进入过流模式(断续模式)并最终关闭。
请参阅数据表中的第8.3.11章。

在选择不同的电感器时、请验证它是否能够实际处理频率。
电感的降级不仅取决于电流和温度、还取决于频率。

为了使反馈环路/补偿更稳定、为 R9选择4.7k 并将 C17增加到22nF

您可以从此处下载的快速入门计算器 www.ti.com/.../snvr511
将帮助您了解电感器的影响并允许您使用不同的补偿组件进行实验。
请记住、实际硬件的寄生效应会对补偿产生影响、
因此、这些计算值可能并不是真正合适的。

此致
哈利

哈利、您好！

感谢您的全面答复。

使用的电感器为 CDRH105RNP-4R7NC、具有6.4A 的饱和电流。 根据我的计算、当 Iload = 2A 时、ILpeak 应为5.4A 左右。 在 ILOAD = 1.5A 时进行测试、ILPEAK 应大约为4.2A。 您是否认为利润不足？

至于温度、电感器在物理上接近 LT5157和 D2、并且在测试期间其温度确实超过了建议的100°C。 但是、我也对电感器悬浮在空气中进行了一些测试。 转换器仍然发生故障、电感器温度约为70C。

MODE 引脚通过一个0欧姆电阻接地、因此禁用断续模式。 波形是否与热关断相关？

到目前为止、最佳结果是 R9 = 1k、C17 = 10n、fsw = 500kHz 转换器在其中稳定了大约10分钟。 我之前使用原始补偿值(与屏幕截图相同)和 Fsw = 500kHz 进行了测试、发现结果没有很大不同、即两次测试都失败。 因此、我假设主要的罪魁祸首是补偿...

现在、您建议的值与表现较差的原始值接近。 一段时间后、次优补偿电路是否会导致散热增加和出现故障？ 您是否具有此方面的设计指南？ (这是我不熟悉的领域。)

在下一个版本中、我将电感器更改为具有更高电流/温度的器件、并且还将改进布局。

此致、
鲍里斯

您好，Boris，

没有关于裕度的经验法则。
所有电感器都有一个特定的曲线、指示电感如何随电流和温度的变化而变化。

在高温下、您首先选择的电感器表现出缓慢下降、但在大约4.5A 时会急剧下降。
电感越低、峰值电流就越高、这是一个恶性循环。

抱歉、对于此特定器件、我没有验证 MODE 引脚实际上控制的是什么。
对于其他器件、禁用断续模式意味着它关闭的时间更长、并且不会定期尝试再次启动。

我并不认为这会是热关断、因为裸片需要达到175°C 的温度。

无论如何、您可以使用冷却液喷雾单独冷却电路的特定部分、以查看哪一个部分会有所不同。

我曾建议使用相同的"旧"电阻器、但电容器要高得多。
同样、请使用快速入门计算器对补偿网络的设置进行实验：
www.ti.com/.../snvr511

实际上、电路板上的寄生效应会影响补偿、因此这些计算值将仅为估算值。
因此、您的实验可能会产生不同的优化。
不过、我会尝试增大该电容器。

通常、补偿仅在负载或电源电压发生变化且需要进行补偿的情况下才应该很重要。
然后、补偿将确定对此变化的反应是快(可能有振铃)还是慢。
如果没有此类变化、则补偿不应至关重要(除非系统过于接近边缘、热影响最终会使其不稳定)。

在创建新的电路板/布局之前、我建议您首先使用现有设计上的不同电感器进行实验。
垂直安装电感器并在电流检测电阻和电感器之间放置一根导线不会对性能产生太大的影响。

事实上、对于实验用途、您甚至可以用两根导线连接电感器、以便将其与电路板的其余部分进行热解耦。

此致
哈利

哈利、您好！

根据您的回复、似乎可以消除补偿、因为负载在测试期间不会变化、所以这是潜在的原因。 在描述后续的结果时、使用了原理图中的原始值。 这些建议与您第一次回复的建议大致相符。

首先、我尝试了在整个电路板上强制通风冷却。 这使得设计保持稳定、但由于需要满足预期应用的要求、我无法进行任何操作。

在前面的一些测试中、我将电感器与电路板的其余部分进行了热去耦。 这仍然导致不稳定。

我还使用了一些具有足够裕量的较大电感器(7443251000和 SRP1050WA-120M)进行了实验。 两者的结果并不相同。

最后、我尝试对二极管和 IC 进行散热。 这两种情况都导致不稳定、但略有不同：
-当对二极管进行散热时,输出电压开始振荡。
-当为 IC 加热时,输出电压会振荡一段时间,然后 IC 停止开关,输出下降到输入电压。 温度超过250C 时、二极管进入热失控状态。

我恐怕我在这里发现自己陷入了死胡同： 就二极管散热器而言、电感器、二极管和 IC 完全处于其工作温度范围内、约为100C、110C 和140C、即使使用较小的10uH 电感器(7443251000)、也应该有足够的电感下降余量。

如果您能提供任何进一步的帮助、我们将不胜感激。

此致、
鲍里斯

您好、Boris：

感谢您的更新。

今天是德国的公众假期、因此响应可能会延迟。
我将仔细研究您的问题、并在本周中与您联系。

感谢您的耐心等待。

此致、
尼克拉斯

您好、Boris：

很抱歉耽误你的时间。
从这个话题的历史来看、我同意它看起来不像是补偿问题。
如果所选组件与快速启动计算器结果一致、这应该不是器件选择问题。

由于高温似乎对系统行为有很大影响、因此我将尝试重点关注布局。
您已经讨论了电感器和二极管的放置、但您能分享一下功率级布局的图片吗？
我们可能会发现一些可能的优化来改善热行为。

我要考虑的另一个资源是 LM5157 EVM、它具有不同的额定电压、但有相似的电流要求：
https://www.ti.com/tool/LM5157EVM-BST
此设计在满载时温度似乎不会升高到50°C 以上、因此如果您的设计温度升至100°C 以上、则可能存在更严重的泄漏。

此致、
尼克拉斯

您好、 Niklas、

星期一是一个假期在挪威也,所以不用担心。

我要连接布局。 大多数元件都位于顶部、而输出电容器和一些滤波器位于底部。 在散热方面、这并不是最好的布局、但设计存在一些尺寸限制。

我还要附上一些热感图像(电感器和 LM5157顶视图、二极管的侧视图)和发生不稳定性时的输出布线。 在这种情况下、二极管顶部放置了一个散热器。 如果没有散热器、频率会逐渐增加、直到开关完全关断、输出下降到 Vin、二极管进入热失控状态并达到250+度。

此致、

鲍里斯

您好、Boris：

感谢您发送布局图。
以下是我对布局的评论：

-功率级的电流路径轨迹有点窄(特别是到电感器的导线)
建议将功率级组件连接到铜多边形而不是线迹
-较大的接地区域
二极管下方的 GND 区域相当小、仅通过几个过孔连接其他层
请确保 GND 区域尽可能大、
-完整电路非常接近 PCB 边缘
这将极大地限制散热器。
如果可能、请将热元件更多地移到电路板的中心、以便在更多方向上有更多的覆铜。

此致、
尼克拉斯

您好、Niklas、

感谢您的反馈。 我将相应地改进布局。

您是否知道导致此行为的原因？ 从热像图中可以看到、IC 和二极管都处于工作温度范围内。

此致、

鲍里斯

您好、Boris：  

感谢您的反馈。 您是否偶尔有可以尝试的 EVM？ CS 引脚、FB 和 SS 看起来是什么样子的？ 同时是否更换过任何元件(如二极管、电感器或 IC)？ 如果您移除输出端的齐纳二极管(其容差似乎可以、但我仍想尝试移除)会怎样？  我们可能需要进一步了解这一点、然后回来与您联系。  

此致、
EM

您好、EM。

感谢您对此进行跟进。

否、我没有该 EVM。 唯一的组件更改是 CSS (C15)为1uF。 移除齐纳二极管不起作用。

至于测量、LM5157没有 CS 引脚、因此我不确定您指的是哪一个。 当我尝试探测 FB 引脚时、输出会降至20V。 我连接输出(通道1)和 FB/SS (通道2)迹线。

总之、当输出开始闪烁时、闪烁的频率会增加、直到输出降至 Vin、二极管进入热失控状态(250C+)。 如果二极管具有散热器、则闪烁频率对于恒定负载保持不变。 增加负载会导致闪烁频率增加、但仍然保持稳定。

我希望这些信息有用。

此致、
鲍里斯

您好、Boris：

感谢您通过 e2e 联系我们。

  今天是银行假日。  请预计 周五或周一之前回复。

此致、

冯志

尊敬的 Feng：

感谢您发送编修。 您能告诉我案例的状态是什么吗？

此致、

鲍里斯

您好、Boris：

根据热感图像、二极管的升温似乎比预期的要高得多。

根据我的数学计算、二极管中的 RMS (输入电压：12V/输出 电压：24V ILOAD：2A)应该为~ 3A。 在压降为0.3V 时、将产生~ 1W 的损耗和相应的温度。 随着使用的焊盘图案的增加应 较少、但增加二极管的铜面积以散发热量也会很好。

您能否确认仅从二极管发热过大。 我不确定热感图像和元件参考情况。

如果您可以测量电感器电流、以确保其行为符合预期并且不会发生饱和效应、那会很好。

此致、

 斯特凡