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LM5176制作5-30V输出50A可调电源

  • 2020-10-27 22:59
  • tanb006

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  • 一直想做一个适用的可调电源,偶然中在ti的网址闲逛,发现有一款标称效率97%以上的升降压IC:lm5176
    以前没做过升降压的电路,感觉如果做个实验电源,那么前级可以随便用一个10---50V电压,后级就能输出稳定的,我想要的电压。这样就可以做个简单的实验电源了。
    说做就做了。先淘宝买了10片LM5176,12块一片。PCB先按官方的PDF画了个基本版,先把功能、波形整出来再慢慢完善。
    在画板子的同时,画了一周的时间反复的看PDF文件,每个引脚的功能、如何计算外围零件、如何使用官方的设计表格。
    按我自己的要求,先做个10V---46V输入的。这个输入范围是1—3节串联铅酸电池的电压范围。刚好家里也有电瓶车上拆下的6只电瓶,利用上就可以有个纯净、稳定的直流输入源了。
    输出设定为14.8V输出。选这个电压只是测试升降压功能。也能给我的电池充电,装上可调电阻就可以在5---30V之间随意调节了。
    有朋友可能会问:既然都5---30V可调了,干吗不做到0-30V可调?
    我只能说我手太新了,还没想到如何做到0V起调。当然,这颗芯片是支持从0.8V起调的,但到0.8V的时候我估计反馈环路就不是那么容易调的了。因为上分压电阻的值接近于1欧姆,这并不利于环路的稳定。如果做成5V起调我倒是有把握的。
    先挖个坑,LM5176文件稍晚些时候上传,(地方偏僻,网络不大好。)方便大家帮我修正文中不正确的地方。

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  • tanb006

    LV.1

    2020-10-27 23:10

    @

    https://www.ti.com.cn/product/cn/LM5176   

    这网址有ti的芯片资料,和设计软件:

    计算工具名称:LM5176 Design Calculator
    文件名称和大小:SNVC208.ZIP (3362 KB)

    大家看着下载哦。我这里网络不好,ti经常连不上,今晚也是折腾很久都没下载下来。


    这个工具挺好用的,输入各种参数,就能直接计算出外围的零件。

    但是,有个坑,容我后面再讲。

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  • tanb006

    LV.1

    2020-10-28 18:18

    @tanb006

    https://www.ti.com.cn/product/cn/LM5176   

    这网址有ti的芯片资料,和设计软件:

    计算工具名称:LM5176 Design Calculator
    文件名称和大小:SNVC208.ZIP (3362 KB)

    大家看着下载哦。我这里网络不好,ti经常连不上,今晚也是折腾很久都没下载下来。


    这个工具挺好用的,输入各种参数,就能直接计算出外围的零件。

    但是,有个坑,容我后面再讲。

    /upload/community/2020/10/28/1603879994-93973.pdf


    文件部分是中文的,计算和具体功能描述都是英文。


    接昨天的内容:

    第一版PCB很简陋,不贴出来了,各部分均参照官网原理图。详细到每一个零件我都能给你具体型号,但是,PCB真没有,原因你懂得。
    我就参照官网原理图讲讲我调试的过程吧。
    板子回来,兴奋鸭,装上了所有贴片零件、MOS只装了四颗(原本设计是四个臂各两颗),电容前后各装了一颗,电感按计算的结果,装了颗用PQ3525、0.1*1000根利兹线绕四匝、开气隙电感量为2.7微亨的电感。设计的频率是在100K。
    输入用实验电源限流0.1A,电压10V输入测试。
    很顺利,一次通电并没短路,我的要求很低,不短路就是个好的开始。测试输出电压为15.2V,跟我计算的差不多,或许零件精度不够,精度可以再搞。先测各个点的波形,和电压。
    四个臂有两路是悬浮驱动的,芯片设计的很巧妙,使用泵电源,一只0.22微法电容和一只4148就能稳定的提供电源了。原始参数是要求1A的二极管,我并没有这么高速度的二极管。也并不想装一颗SMB的管子,太占地方了。我喜欢小体积的东东。于是就用了4148,正向持续电流可以达到0.3A,我估计也足够了。特别是4148的速度,比手上的任何二极管都要快,而且耐压也在75V以上。实际我用自己的耐压测试仪测过各种封装的二极管,基本都在100V以上,手头上这种玻璃封装圆柱体的4148耐压在120V的。
    这样两臂用四个零件就完成了供电,还真是佩服----集成度真高。如果让我做外围,我肯定是一个反激,输出两组隔离电压分别供电两个臂的驱动电路,再用MIC4452去驱动两颗并联的100多A的MOS。


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  • tanb006

    LV.1

    2020-10-28 18:32

    @tanb006

    /upload/community/2020/10/28/1603879994-93973.pdf


    文件部分是中文的,计算和具体功能描述都是英文。


    接昨天的内容:

    第一版PCB很简陋,不贴出来了,各部分均参照官网原理图。详细到每一个零件我都能给你具体型号,但是,PCB真没有,原因你懂得。
    我就参照官网原理图讲讲我调试的过程吧。
    板子回来,兴奋鸭,装上了所有贴片零件、MOS只装了四颗(原本设计是四个臂各两颗),电容前后各装了一颗,电感按计算的结果,装了颗用PQ3525、0.1*1000根利兹线绕四匝、开气隙电感量为2.7微亨的电感。设计的频率是在100K。
    输入用实验电源限流0.1A,电压10V输入测试。
    很顺利,一次通电并没短路,我的要求很低,不短路就是个好的开始。测试输出电压为15.2V,跟我计算的差不多,或许零件精度不够,精度可以再搞。先测各个点的波形,和电压。
    四个臂有两路是悬浮驱动的,芯片设计的很巧妙,使用泵电源,一只0.22微法电容和一只4148就能稳定的提供电源了。原始参数是要求1A的二极管,我并没有这么高速度的二极管。也并不想装一颗SMB的管子,太占地方了。我喜欢小体积的东东。于是就用了4148,正向持续电流可以达到0.3A,我估计也足够了。特别是4148的速度,比手上的任何二极管都要快,而且耐压也在75V以上。实际我用自己的耐压测试仪测过各种封装的二极管,基本都在100V以上,手头上这种玻璃封装圆柱体的4148耐压在120V的。
    这样两臂用四个零件就完成了供电,还真是佩服----集成度真高。如果让我做外围,我肯定是一个反激,输出两组隔离电压分别供电两个臂的驱动电路,再用MIC4452去驱动两颗并联的100多A的MOS。


    曾经我还怀疑这芯片能不能直接驱动4颗浮地的MOS,结果是我多虑了。输出的驱动波形上升沿只有75纳秒,下降沿100纳秒。如果不装管子,上升沿是25纳秒以内。
    闲话说的有点多,测完各个点的波形,对比PDF中的波形看,基本上是正确的。第一天就这么结束,我喜欢在一个好的结果中入眠。至于能不能带载、高低压输入能不能稳定输出,我已经放下了好奇的心,毕竟好奇害死猫。瞌睡大于一切。
    次日接着测试,输入电压依然是10V,输出15V多,不敢贸然输入30-40V的电压,担心PCB布局问题导致的尖峰太高毁了芯片。测量各个MOS的波形的时候,担心的事情还是发生了。
    在测试悬浮驱动的两个臂的时候,芯片突然工作失常,没了输出。查出是BOOT引脚对地击穿。怀疑自己的板子有问题或者零件问题,查遍了外围也没啥零件损坏。于是12块就这么没了。
    热风枪吹下,再装一片新的,显微镜下观察每一个引脚都焊接可靠没有连锡,接着上电,输出很OK。于是把第一次损坏的原因归结为意外。但即便是意外,也是有原因的,错就错在我偷懒了。没去找原因。
    接着测试各个点的波形,和PDF中的波形对比,以确认自己的板子、原理、实物都没错,之后才敢加点负载测试。波形比对快完成的时候,那个“意外”又出现了。莫名的坏了。
    这搞的我蒙圈几层。。。。。。。。
    难道芯片是假的?水货?残次品?反复对比原理图和实物确定都OK的。于是带着一大堆疑惑去ti论坛搜索故障原因。

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  • tanb006

    LV.1

    2020-10-28 19:38

    @tanb006

    曾经我还怀疑这芯片能不能直接驱动4颗浮地的MOS,结果是我多虑了。输出的驱动波形上升沿只有75纳秒,下降沿100纳秒。如果不装管子,上升沿是25纳秒以内。
    闲话说的有点多,测完各个点的波形,对比PDF中的波形看,基本上是正确的。第一天就这么结束,我喜欢在一个好的结果中入眠。至于能不能带载、高低压输入能不能稳定输出,我已经放下了好奇的心,毕竟好奇害死猫。瞌睡大于一切。
    次日接着测试,输入电压依然是10V,输出15V多,不敢贸然输入30-40V的电压,担心PCB布局问题导致的尖峰太高毁了芯片。测量各个MOS的波形的时候,担心的事情还是发生了。
    在测试悬浮驱动的两个臂的时候,芯片突然工作失常,没了输出。查出是BOOT引脚对地击穿。怀疑自己的板子有问题或者零件问题,查遍了外围也没啥零件损坏。于是12块就这么没了。
    热风枪吹下,再装一片新的,显微镜下观察每一个引脚都焊接可靠没有连锡,接着上电,输出很OK。于是把第一次损坏的原因归结为意外。但即便是意外,也是有原因的,错就错在我偷懒了。没去找原因。
    接着测试各个点的波形,和PDF中的波形对比,以确认自己的板子、原理、实物都没错,之后才敢加点负载测试。波形比对快完成的时候,那个“意外”又出现了。莫名的坏了。
    这搞的我蒙圈几层。。。。。。。。
    难道芯片是假的?水货?残次品?反复对比原理图和实物确定都OK的。于是带着一大堆疑惑去ti论坛搜索故障原因。

    发两个原理图:




    5176a


    5176b

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  • tanb006

    LV.1

    2020-10-29 23:23

    @tanb006

    发两个原理图:




    5176a


    5176b

    然而,TI论坛也是没人说到重点。
    有几个类似情况,莫名挂了,找不到原因。也有不工作的,工作失常的,但都没有给出具体解决办法和查找故障的思路。
    既然芯片冷门,咱就凉开水泡茶,慢慢来。

    回忆前一天的测试情况,查找损坏的真因。两次损坏都是boot对地短路。

    我的示波器是电池供电的,不存在与市电相连的问题。板子供电是实验电源,也不存在超范围供电击穿。

    想了大半天,问题点还是归结到了我的示波器上。

    难道是没接地,静电击穿?总得试试看,于是给示波器插上电源线,板子也换了新的芯片,查外围都OK,无零件损坏。

    再次上电,测试一切正常。反复多次重复昨天的测试,示波器夹子加在SW端,探头测试boot端,怎么测试都没问题,没有再次损坏。

    本着认真的原则,想重现损坏的过程,看看是否跟我的判断一致。

    再扔12块钱也能学到点东西,划算。

    拔了示波器电源线,用示波器内置电池供电测量,开始几次也没问题。

    中间间隔个把小时,忙别的事情了,再回来测试boot的波形,一碰就挂了。

    没有火花,直接没输出。

    也没有任何外围零件损坏,芯片其他引脚和功能都正常,断电测量BOOT对地电阻,真的短路了。

    看来真的是静电引起的芯片损坏,感慨老外芯片保护功能之强大,仅仅坏了一个功能,其他各引脚的逻辑和电压都很正常。

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  • tanb006

    LV.1

    2020-10-31 23:19

    @tanb006

    然而,TI论坛也是没人说到重点。
    有几个类似情况,莫名挂了,找不到原因。也有不工作的,工作失常的,但都没有给出具体解决办法和查找故障的思路。
    既然芯片冷门,咱就凉开水泡茶,慢慢来。

    回忆前一天的测试情况,查找损坏的真因。两次损坏都是boot对地短路。

    我的示波器是电池供电的,不存在与市电相连的问题。板子供电是实验电源,也不存在超范围供电击穿。

    想了大半天,问题点还是归结到了我的示波器上。

    难道是没接地,静电击穿?总得试试看,于是给示波器插上电源线,板子也换了新的芯片,查外围都OK,无零件损坏。

    再次上电,测试一切正常。反复多次重复昨天的测试,示波器夹子加在SW端,探头测试boot端,怎么测试都没问题,没有再次损坏。

    本着认真的原则,想重现损坏的过程,看看是否跟我的判断一致。

    再扔12块钱也能学到点东西,划算。

    拔了示波器电源线,用示波器内置电池供电测量,开始几次也没问题。

    中间间隔个把小时,忙别的事情了,再回来测试boot的波形,一碰就挂了。

    没有火花,直接没输出。

    也没有任何外围零件损坏,芯片其他引脚和功能都正常,断电测量BOOT对地电阻,真的短路了。

    看来真的是静电引起的芯片损坏,感慨老外芯片保护功能之强大,仅仅坏了一个功能,其他各引脚的逻辑和电压都很正常。

    好事多磨,继续搞起测试。

    有了前次的经验,示波器在以后的应用中都乖乖的找根地线接大地。

    输入电压从10—18V测试,都很OK。

    当然都是空载测试,只有一只1K的假负载电阻。

    输入电压连续变化,输出也是很稳定的。

    接入电子负载,加一点点电流,再看波形都跟PDF中一致,开始有点小兴奋了,乐极生悲就这样又来一次。
    输入18V,输出15.2V,负载电流加到1A的时候,效率是95%。加到3A效率下降到90%,
    但波形正常。再加到4A是86—87%。蜜汁疑惑。。。。。。。。。。。规格书里给的是能输出几十A的,这才。。。。。
    算了,睡一觉醒来再想问题。

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  • tanb006

    LV.1

    2020-11-02 23:31

    @tanb006

    好事多磨,继续搞起测试。

    有了前次的经验,示波器在以后的应用中都乖乖的找根地线接大地。

    输入电压从10—18V测试,都很OK。

    当然都是空载测试,只有一只1K的假负载电阻。

    输入电压连续变化,输出也是很稳定的。

    接入电子负载,加一点点电流,再看波形都跟PDF中一致,开始有点小兴奋了,乐极生悲就这样又来一次。
    输入18V,输出15.2V,负载电流加到1A的时候,效率是95%。加到3A效率下降到90%,
    但波形正常。再加到4A是86—87%。蜜汁疑惑。。。。。。。。。。。规格书里给的是能输出几十A的,这才。。。。。
    算了,睡一觉醒来再想问题。

    开工,测试,找效率下降的原因。

    电流直接上到4A,用热成像仪观察板子上哪些零件温度高。

    怀疑的对象是MOS和电感,也有电容。

    热机10分钟后热成像显示MOS温度最高,为50—60度左右(具体温度记不清,不能瞎写,但就在这范围内,四个臂的温度是不同的。)

    MOS是IRF3710,100V  57A  23毫欧。

    选这颗是为了安全,100V耐压,远超芯片的极限电压60V。

    所以前几次损坏的也仅仅是芯片。

    看来内阻太大,换管子。家里还有做电动车控制器剩下的NCE8580,85V  80A  8.5毫欧。

    这下效率应该能上去了吧,嘿嘿,装机测试效率。

    果然,4A负载下效率稳定在91--92%之间,但距离标称的最高效率95%还有很远的路要折腾。

    对比和查看实物波形,发现无论驱动低端MOS还是驱动高端MOS,驱动VGS都很低。

    低端MOS的驱动用的是芯片供电8V,驱动高端MOS用的是泵电源,VGS峰峰值是7.2—7.5V。

    这个固有的设计限制了MOS的选用。

    普通MOS在8V以上才能达到完全打开的阶段,或许这是效率上不去的主因。

    网上搜了大半天,找到NCE85H21C  85V  210A   4毫欧  220封装 。

    能用国产的我绝不买进口零件。

    这颗MOS看曲线图,VGS在6V的时候可以完全导通,电流达到100A以上。

    正适合我需求。两颗并联只有2毫欧内阻,能满足我需求就是好宝贝!

    淘宝价3.5一颗入手30颗。


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  • hylylx

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    2020-11-03 08:40

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    热泪盈眶前来顶帖,正需要呢
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  • tanb006

    LV.1

    2020-11-03 22:30

    @tanb006

    开工,测试,找效率下降的原因。

    电流直接上到4A,用热成像仪观察板子上哪些零件温度高。

    怀疑的对象是MOS和电感,也有电容。

    热机10分钟后热成像显示MOS温度最高,为50—60度左右(具体温度记不清,不能瞎写,但就在这范围内,四个臂的温度是不同的。)

    MOS是IRF3710,100V  57A  23毫欧。

    选这颗是为了安全,100V耐压,远超芯片的极限电压60V。

    所以前几次损坏的也仅仅是芯片。

    看来内阻太大,换管子。家里还有做电动车控制器剩下的NCE8580,85V  80A  8.5毫欧。

    这下效率应该能上去了吧,嘿嘿,装机测试效率。

    果然,4A负载下效率稳定在91--92%之间,但距离标称的最高效率95%还有很远的路要折腾。

    对比和查看实物波形,发现无论驱动低端MOS还是驱动高端MOS,驱动VGS都很低。

    低端MOS的驱动用的是芯片供电8V,驱动高端MOS用的是泵电源,VGS峰峰值是7.2—7.5V。

    这个固有的设计限制了MOS的选用。

    普通MOS在8V以上才能达到完全打开的阶段,或许这是效率上不去的主因。

    网上搜了大半天,找到NCE85H21C  85V  210A   4毫欧  220封装 。

    能用国产的我绝不买进口零件。

    这颗MOS看曲线图,VGS在6V的时候可以完全导通,电流达到100A以上。

    正适合我需求。两颗并联只有2毫欧内阻,能满足我需求就是好宝贝!

    淘宝价3.5一颗入手30颗。


    开始画第二版PCB,

    在前一版的基础上8颗MOS并排装在一只散热片上,做好绝缘措施。

    芯片放在MOS前面,MOS后面是输入电容、大电感、输出电容。

    PCB底部是过流保护和电流检测电阻。其他零件都在顶层。

    整个板子尺寸大约10*8厘米。高不超过5厘米。

    电流检测部分信号走线按照官方PDF说明,用差分走线引入芯片。在

    板子打样期间,特意用电桥从一堆0805电阻里挑出来十几颗阻值尽量一致的100欧姆电阻做差分信号输入用。

    制作了散热片、钻孔、攻丝。选了几十颗内阻基本一致的电解。

    又做了一个DC-DC反激小电源,用来驱动12V风机,准备在满功率的时候能有合适的散热。

    DC-DC反激小电源是之前就画好的小板,原本是小模块的设计方案,重绕一个变压器就直接拿来用了。

    调试好小电源和风机,静等第二版PCB的到来。

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  • tanb006

    LV.1

    2020-11-03 22:31

    @hylylx

    热泪盈眶前来顶帖,正需要呢
    多谢捧场,我会持续更新整个制作过程和走过的坑。
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