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[参考译文] LM3478:MOSFET 和电感器过热

Guru**** 1617045 points
Other Parts Discussed in Thread: LM3478, LM5156
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/1345559/lm3478-mosfet-and-inductors-overheating

器件型号:LM3478
主题中讨论的其他器件: LM5156

大家好、我希望有人可以帮助我。 我想设计一款基于 LM3478、输入电压范围为12-36V、输出为24V 2A 的 SEPIC 转换器。 我根据"AN-1484设计 SEPIC 转换器"和 LM3478数据表计算了所有组件的相关值、结果和提供的示例非常相似、我也尝试使用 Webench、但其值远远超出我和示例的范围、因此我忽略了它。 不管怎么说、组装后我仍然遇到问题、转换器的输出电压保持在+/- 24V、但在1.8A 的负载下(输出端的 LED 驱动器保持电流)、电感器和 MOSFET 都能在30秒内快速过热。 这样我烧毁了两个 MOSFET、因为我没有注意到、那个二极管也因为某种原因短路了、所以我更换了 MOSFET、烧毁了第二个 MOSFET。 另外还注意到输入电压是24V 以上的情况(降压模式)、空载时 MOSFET 发热脉冲(比如、急剧变热、然后冷却下来重复)、 我的实验室电源上的电流 同步跳至0.2A 至0.3A、然后回到零(当 VIN 低于24V 时、我未在升压模式下注意到这种影响)。 那么、这里的问题是、不良 PCB 设计中存在根本问题、还是存在一些我没有看到的根本计算错误? 我重新阅读了不同的数据表和应用手册、以及论坛上的许多主题、但我仍然没有清楚的解决方案。

这里的原理图表明、L1和 L2的 L=10uH、DCR=30m Ω、IRMS=7.8A、Isat=8.5A、MOSFET 是 Infineon BSC0702LS。

和 PCB (所有层)

PCB 的底部(位于此处的 SEPIC)

PCB 的顶部(在此处找到 LED 驱动器、运算放大器和 MCU)

L2 (输入电感)在21.7V 时的波形。 如果我正在降低实验室电源上的输入电压、脉冲数量上升、并且我正在增加输入、脉冲计数会降低至24V、然后在切换到降压模式后、我假定再次增加(在降压 MOSFET 中、开始过热、没有负载)。

L3 (输出电感器)的波沃韦尼、行为相同。

MOSFET 栅极、行为相同

24V 输入上的栅极

26V 输入上的栅极

28V 输入上的栅极

30V 输入上的栅极

我想知道、为什么在升压模式下、当 VIN < 24V 时、栅极上的脉冲数量缓慢增加和减少、但在 VIN > 24V 后变得超快、就像增加 VIN 0.1V 会使脉冲计数加倍。

提前感谢您、

Ihor Ziuba.

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    尊敬的 Ziuba:

    感谢您使用 e2e 论坛。
    原理图本身对我来说很好。

    即使最大负载为2A、峰值电感器电流也应低于5.5A、因此不应出现饱和。
    FET 的额定电压仅为60V。 在最坏的情况下(最大 Vin 36V)、FET 上的电压可能会超过60V 阈值、因此请考虑使用额定值更高的 FET、如80V 或100V。
    但这不应是导致过热的根本原因。

    我来仔细看一下布局。
    您还能展示 GND 平面吗? 现在、看起来所有接地连接都是悬空的。
    接地平面对于散热和主电流路径非常重要、因此较高负载下过热的根本原因可能与此相关。

    此致、
    尼克拉斯

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    是的、抱歉、我想如果没有接地平面、绘图会更具可读性。 我已经在帖子中更新了工程图。  

    希望您的帮助。

    P.S.此外,我已经试图改变电感器为22uH ,但没有重新计算补偿电路,没有任何变化(

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    尊敬的 Ziuba:

    可能存在一个问题、即会有大电流经过非常窄的布线、而没有任何散热方式。

    I 为初级侧(K1)和次级侧(K2)的主电流路径画线。

    次级侧环路(K2)短而紧凑、这很好。 K1是一个相当长的路径、因此您可以考虑为下一个版本更改输入电容器的位置。

    输入电压线路 VIN 在电流为~5A 时也相当纤薄。

    关于过热问题、您是否有热像仪来检查电感器和 FET 周围的热量产生?
    SW 平面小巧紧凑、非常适合 EMI、但另一方面、将热量从组件上散发出去的方法非常有限。
    因此、这始终是电路板尺寸与 EMI 与过热危险之间的折衷。

    需要澄清另一个问题、过热是否仅在高负载或轻负载条件下发生?

    谢谢、此致、
    尼克拉斯

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    感谢您发送编修。 目前、我想解决的是改变开关频率和补偿回路、而 MOSFET 仅在输入电压超过24V 时才在空载条件下过热的问题。在示波器上、当 VIN 低于24V 时、所有占空比(MOSFET 栅极、电感器)都 平稳变化、 但在 VIN 高于24V 的情况下、变化非常急剧、对我而言、它看起来像是调节问题或其他问题、但我无法理解、为何即使在没有负载的情况下也会发生这种情况。  

    如果可能、您能为我再回答几个问题吗?

    -对于我的情况(VIN=12-26V,=24, IOUT=2A ),对反激式或 VOUT 最简单的拓扑之类的拓扑进行更改是否会更容易?

    -如果我坚持使用 SEPIC、应该将 IC 更改为 LM5156、因为它是现代的、具有 TI 提供的 Excel 格式计算器、所以比我的 Mathcad 计算更可信?

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    尊敬的 Ihor:

    Niklas 今天在办公室外。 他可以在星期一回答您的问题。

    此致、

     斯特凡

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    尊敬的 Ihor:

    感谢您的耐心等待。
    非常有趣的是、在输入电压大于24V 时、如果没有负载、也会发生该问题。
    那么这可能是一个稳定性问题。
    当前设计使用两个单电感器。 当不使用耦合电感器时、建议与 C11并联一个额外的 RC 滤波器。
    良好的起始值包括1欧姆和40uF。 这应该会提高稳定性。
    有关补偿和电流纹波的其他计算、我推荐使用功率级设计器工具:
    https://www.ti.com/tool/POWERSTAGE-DESIGNER

    我更喜欢创建一个全新的设计、您绝对可以考虑切换到 LM5156。 该部件比 LM3478新得多、因此具有更好的供货和定价。 SEPIC 拓扑仍然是一个不错的选择、但您可以考虑切换到耦合电感器。  

    下面还提供了有关单电感器与耦合电感器在 SEPIC 设计中的优势的应用手册:
    https://www.ti.com/lit/an/slyt411/slyt411.pdf

    此致、
    尼克拉斯