LM5145/5146可调直流电源方案验证板

项目简介

本项目是基于TI的DC-DC降压控制器LM5145的可调直流降压电源的硬件方案验证板。在官方示例的基础上，本方案增强了栅极驱动能力，可驱动更低导阻的MOSFET以提升重载效率；引入了高增益带宽的外部电压和电流控制环路，在宽输出范围下仍能提供较快的动态响应。

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项目参数

输入电压范围：12~60V（可替换LM5146及功率元件以获得更高输入）
输出电压范围：0~0.95*VIN（验证板限制最大48V）
输出电流范围：0-20A（自然冷却）； 0~30A（加散热风扇）
线路调整率：<0.2‰ (VIN=12~60V)
负载调整率：<0.1% (IOUT=0~30A)
开关频率：400kHz (VIN≤24V)；300kHz (VIN>24V)
输出电压纹波：≤70mVpp (VIN=48V)；≤30mVpp (VIN=24V)
满载效率：97.5% (VIN=48V, VOUT=30V, IOUT=30A)
动态响应时间：<50us（0A→30A→0A负载瞬态，电流斜率3A/us）
环路切换时间：<150us（在电压环和电流环之间切换）

测试图像

输出纹波（电感3.3uH，电容2*330uF固态 +20uF MLCC）

VIN=48V, VOUT=24V, IOUT=10A

VIN=24V, VOUT=12V, IOUT=10A
输出纹波（电感3.3uH，电容2*220uF固态 +20uF MLCC）

VIN=48V, VOUT=24V, IOUT=10A

VIN=24V, VOUT=12V, IOUT=10A

说明：输出纹波于输出端子位置并联10uF MLCC、使用接地弹簧测得

负载动态响应（电感3.3uH，电容2*330uF固态 +20uF MLCC）
通道2：输出电压（交流耦合），通道4：负载电流

VIN=48V, VOUT=11.5V, IOUT=0A→30A→0A

VIN=24V, VOUT=11.5V, IOUT=0A→30A→0A

VIN=24V, VOUT=12V, IOUT=0A→10A→0A

VIN=24V, VOUT=5V, IOUT=0A→50A→0A（150%负载动态测试，保持恒压模式）
环路切换
VIN=24V, VOUT=10V, IOUT=0A→30A→0A; 电流设置20A
通道2：电压环输出，通道3：电流环输出，通道4：负载电流
（幅值较低者为当前运行的环路）

说明：负载动态响应测试的电流上升和下降斜率均设置为3A/us，实际情况取决于电子负载

方案解析

栅极驱动器
本验证板使用了增强的栅极驱动方案。在使用12V驱动电平的同时，加入了基于ZXGD3006的推挽驱动电路，使控制器在保证较低上升和下降时间的前提下，得以驱动更高Ciss、更低导阻的功率MOSFET。测试时使用2颗BSC040N08NS5并联，可根据需求替换SO8 5x6的其他型号（板上留有对应焊盘）。
外部控制环路
本验证板加入了外部的并联型电压和电流控制环路。控制环路基于OPA365高增益带宽运算放大器和TypeIII补偿网络实现，配合LM5145/5146的线路前馈功能，可提供宽输入和输出范围下的低负载调整率和较快的动态响应速度。电流检测采用基于INA240A2的高边电流检测方案，输出信号可用于电流控制环路及过流保护功能（验证板暂未设置），同时输入和输出可共地，可用于需要级联的应用。

验证板中的OPA365可替换为TLV9061、OPA320等增益带宽积>10MHz的运算放大器（也可替换10MHz以下的运算放大器以优化成本，但动态性能可能下降）。INA240A2的增益为50，为提升电流检测精度，可替换100倍增益的INA240A3，但需要重新设计偏置电路和电流环路补偿。

R19和R41用于为电压差分放大器提供偏置以提升低输出电压时的检测精度，二者的戴维南等效阻抗（并联阻值）需要与R40相等；R16和R18用于为INA240的输出提供VCC/2的偏置电压，更改R16、R18阻值将影响INA240输出线性度。如果需要改变偏置电压，建议将INA240的REF1和REF2短接，并使用基于运放跟随器或基准源（如REF3012、REF2030等）的偏置生成电路（工程中有提供使用REF3012的版本）。
变频功能
本验证板加入了简易的变频功能。在输入电压上升至27V时，开关频率降低为300kHz以降低开关损耗；输入电压下降至24V时开关频率提升至400kHz以降低输出纹波（比较器可替换，但需要推挽输出）。
其他特性
1）验证板加入了简易的按键开关，同时控制LM5145和控制环路的使能，上电时默认关闭输出。

2）验证板使用电位器进行电压和电流调节，但在背面引出了电压和电流检测的输出接口，可用于电压电流回读；同时引出电压和电流参考信号，可由外部控制器设置输出电压电流。也可将电位器更换为DAC或PWM to Analog以实现数字调节（需改动PCB）。

3）板上带有12V辅助电源输出接口，可为扩展的数字控制器供电或接入散热风扇。

4）验证板底部对发热量较大的区域进行了开窗，配合散热片可提升散热效率。

5）系统轻载下可工作在CCM和DCM，可通过焊接和拆除R10实现模式切换，也可改为外部电平控制。

6）方案采用6层PCB设计，工程中另外提供4层PCB版本，但满载时的发热量可能加大。

注意事项

输入和输出均使用XT60接口，正常插入时不易反接，故未加入防反接电路，但使用时须注意避免反接。
验证板无过热保护，请勿在未加主动散热的条件下持续20A以上运行，以避免器件热击穿。
电位器调节至0V且系统配置为CCM时，输出为0V但并非断路，此时电流可反向流入（相当于短路），负载为有源负载时需要注意避免反向电流。
板上虽加入了12V辅助电源，但由于需要线路前馈功能，LM5145的输入不可悬空，否则可能影响环路稳定性（实测在添加12V外部供电的情况下，LM5145流入VIN引脚的电流约为280uA，表明仍有功能需要VIN引脚的电压）。
本项目为验证板，如有不足之处请提出，后期将进一步优化完善。