榮海林+姚福安+張德強(qiáng)

摘 要 選用TI公司的LM5117芯片作為穩(wěn)壓系統(tǒng)控制的核心，制作一款穩(wěn)定高效的降壓型直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，采用電壓閉環(huán)反饋控制，具有穩(wěn)定的過(guò)流保護(hù)、負(fù)載識(shí)別功能，提高了輸出電壓的穩(wěn)定性，大大降低了輸出紋波電壓。選擇合適的開(kāi)關(guān)頻率及環(huán)路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)電路穩(wěn)定性和帶負(fù)載能力，進(jìn)一步穩(wěn)定輸出電壓。

關(guān)鍵詞 LM5117；降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源；閉環(huán)控制

中圖分類號(hào)：TN492 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2017）06-0036-03

Abstract This system design chooses LM5117 chip and CSD18532-KCS MOSFET of TI Company as control core voltage stabilizing system， and builds a stable and efficient buck type DC switching power supply. It uses the closed-loop feedback control voltage， im-proving the stability of output voltage. Design reduces the output ripple voltage， selecting the appropriate switching frequency com-pensation and loop network to enhance the stability and load capa-city， make output voltage more stable.

Key words LM5117； Buck DC； feedback control

1 引言

開(kāi)關(guān)電源憑借其相對(duì)于線性電源的體積小、效率高、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在越來(lái)越多的場(chǎng)合得到應(yīng)用。傳統(tǒng)的PWM開(kāi)關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開(kāi)關(guān)頻率低，電源功耗高，紋波系數(shù)大。隨著對(duì)開(kāi)關(guān)電源性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的PWM開(kāi)關(guān)電源逐漸不能滿足性能要求，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展。模塊化的開(kāi)關(guān)電源控制芯片的優(yōu)越性能得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，工作頻率高，紋波系數(shù)小，帶負(fù)載能力強(qiáng)，便于調(diào)試。TI公司生產(chǎn)的軍工級(jí)新型同步降壓控制器LM5117就是優(yōu)秀代表。

2 LM5117介紹

LM5117是一款同步降壓控制器，適用于高電壓或各種輸入電源的降壓型穩(wěn)壓器應(yīng)用。其控制方法基于采用仿真電流斜坡的電流模式控制。電流模式控制具有固有的輸入電壓前饋、逐周期電流限制和簡(jiǎn)化環(huán)路補(bǔ)償功能。使用仿真控制斜坡可降低脈寬調(diào)制電路對(duì)噪聲的敏感度，有助于實(shí)現(xiàn)高輸入電壓應(yīng)用所必需的極小占空比的可靠控制。LM5117的工作頻率可以在50～750 kHz范圍內(nèi)設(shè)定?？衫米赃m應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制來(lái)驅(qū)動(dòng)外部高邊和低邊NMOS功率開(kāi)關(guān)管（《LM5117技術(shù)手冊(cè)》）。

3 方案描述

為滿足題目要求，本系統(tǒng)能夠處理兩種輸入信號(hào)：16 V直流輸入電壓、外部負(fù)載R。通過(guò)人工方式在兩種輸入信號(hào)之間進(jìn)行功能的切換，然后通過(guò)LM5117為核心的穩(wěn)壓電路，分別實(shí)現(xiàn)16 V輸入、5 V恒壓輸出，負(fù)載R可變輸入、1～10 V電壓輸出這兩種功能。同時(shí)利用采樣電阻采集電流信號(hào)交給比較器控制，進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，提高系統(tǒng)可靠性。整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

4 方案設(shè)計(jì)

降低紋波 本系統(tǒng)采用加強(qiáng)輸入輸出的LC濾波網(wǎng)絡(luò)，輸入輸出信號(hào)在送到對(duì)應(yīng)端口之前均采用多個(gè)電容并聯(lián)，大大降低紋波電壓；輸出端的LC濾波網(wǎng)絡(luò)選用較小電感（10 μH），降低電路功耗，有助于提高電源效率；輸出端采取C1和R21阻容吸收網(wǎng)絡(luò)，消除尖峰[1]。

負(fù)載R檢測(cè) 本系統(tǒng)使用LM358構(gòu)成的恒流源電路[2]，將負(fù)載R的阻值轉(zhuǎn)化成電壓差分信號(hào)送入INA118儀表放大器進(jìn)行放大，經(jīng)恒流源轉(zhuǎn)化后差分信號(hào)Ud與負(fù)載阻值R之間滿足題目要求計(jì)算公式：Ud=R/1k（V）。

Ud被放大后通過(guò)運(yùn)放，成為VOUT輸出。

負(fù)載R檢測(cè)如圖2所示。其中，U1A構(gòu)成恒流源，RL為待測(cè)負(fù)載R（仿真電路中條件RL=5k），U2的INA118P為儀表放大器[3]，處理恒流源轉(zhuǎn)化的電壓差分信號(hào)R3/R5和R6/R4分別構(gòu)成的分壓電路和比例電路。

穩(wěn)壓控制 本系統(tǒng)采用以LM5117芯片為核心的穩(wěn)壓電路，內(nèi)部高增益誤差放大器產(chǎn)生一個(gè)與FB引腳電壓和內(nèi)部高精度0.8 V基準(zhǔn)之差成正比的誤差信號(hào)。選取合適的RCOMP、CCOMP和CHF構(gòu)成π型環(huán)路補(bǔ)償元件，連接至COMP引腳的誤差放大器。選取合適的反饋調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，使輸出電壓穩(wěn)定到需求值[4]。

過(guò)流保護(hù) LM5117芯片的UVLO端口是欠壓鎖定編程引腳。當(dāng)UVLO引腳低于0.4 V時(shí)，穩(wěn)壓器處于關(guān)斷模式，所有功能被禁用。如果UVLO引腳電壓高于0.4 V并低于1.25 V，穩(wěn)壓器隨VCC穩(wěn)壓器運(yùn)行而處于待機(jī)模式，此時(shí)SS引腳接地，且HO和LO輸出端不會(huì)切換。決定利用這一特性，使工作電流超過(guò)額定電流時(shí)強(qiáng)制拉低UVLO口的電壓至0.4 V～1.25 V之間，將LM5117芯片置于待機(jī)狀態(tài)。

采集輸出電流，將取樣電壓與達(dá)到額定電流時(shí)的電壓進(jìn)行比較，將比較結(jié)果使用CD4013進(jìn)行鎖存，并反接肖特基二極管SS14，使過(guò)流時(shí)的UVLO端口鉗位到0.7 V，達(dá)到過(guò)流保護(hù)的效果[5]。過(guò)流保護(hù)如圖3所示。主電路整體原理圖如圖4所示。

5 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

首先，將本系統(tǒng)與外部直流電源相連接，調(diào)節(jié)直流電源輸出電壓，使得系統(tǒng)輸入U(xiǎn)IN=16 V，保持恒定。調(diào)節(jié)負(fù)載大小，當(dāng)IO=0.2IOMAX，記錄UO，即為輕載輸出電壓；當(dāng)IO=IOMAX，記錄UO，即為滿載輸出電壓，計(jì)算負(fù)載調(diào)整率SI。

其次，調(diào)節(jié)直流電源輸出電壓，當(dāng)系統(tǒng)輸入U(xiǎn)IN=13.6 V和UIN=17.6 V時(shí)，分別記錄UO13.6V、UO17.6V，計(jì)算電源電壓調(diào)整率SV。

再次，調(diào)節(jié)直流電源輸出電壓，使得系統(tǒng)輸入U(xiǎn)IN在13.6～17.6 V范圍內(nèi)變化，在其中選取5組不同輸入電壓值進(jìn)行測(cè)量。記錄不同輸入電壓UIN分別對(duì)應(yīng)的輸入電流IIN、輸出電壓UO以及輸出電流IO，計(jì)算轉(zhuǎn)換效率η。

最后，調(diào)節(jié)直流電源輸出電壓，使得系統(tǒng)輸入U(xiǎn)IN=16 V，保持恒定。改變外接待測(cè)電阻R大小，測(cè)量并記錄不同阻值下對(duì)應(yīng)的輸入電流IIN、輸出電壓UO以及輸出電流IO，計(jì)算轉(zhuǎn)換效率η。

測(cè)試結(jié)果如表1～表4所示。

經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)能夠完成題目所有的設(shè)計(jì)性能要求。并且在負(fù)載調(diào)整率及轉(zhuǎn)換效率方面均優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

通過(guò)一系列功能測(cè)試，本系統(tǒng)以LM5117為核心設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路，實(shí)現(xiàn)16～5 V的DC-DC電壓變換，同時(shí)能夠檢測(cè)外接負(fù)載R大小并根據(jù)一定的公式調(diào)節(jié)輸出電壓。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)所有要求，并提高電源效率達(dá)到91%以上，負(fù)載調(diào)整率降至0.4%，同時(shí)將紋波電壓峰峰值控制在20 mV

以內(nèi)，是一款性能優(yōu)良的降壓型直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。

參考文獻(xiàn)

[1]童詩(shī)白.模擬電子線路[M].北京：清華大學(xué)出版社，1996.

[2]姚福安，徐向華.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)與仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015.

[3]陳大欽，羅杰.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)[M].3版.北京：高等教育出版社，2008.

[4]姚福安.電子電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

[5]梁秀梅，于平義.模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2008.