黃勇 徐邦賢 潘宇

摘要：降壓型直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源由于具有功耗小、效率高、輸出穩(wěn)定電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今電子設(shè)備中充當(dāng)著重要角色。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用采用降壓（Buck）型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選用PWM芯片LM5117，配以必要的外圍元件，控制功率開(kāi)關(guān)管CSD18532KCS ，實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定輸出。其具有較好的負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率，帶負(fù)載能力強(qiáng)，大電流下紋波電壓小，電路可靠，轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源；PWM；LM5117；CSD18532KCS

中圖分類號(hào)：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）05-0170-02

開(kāi)關(guān)電源作為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品，具有效率高，功耗低，體積小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。本系統(tǒng)采用降壓（Buck）型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以帶模擬電流監(jiān)視器的寬輸入電壓范圍的LM5117芯片為核心控制CSD18532KCS MOS場(chǎng)效應(yīng)管，實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定輸出。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

降壓型直流變換器原理圖如圖1所示，它由功率開(kāi)關(guān)管VT，儲(chǔ)能電感L，續(xù)流二極管VD，輸出濾波電容C以及PWM控制電路組成。其工作原理是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載變化引起輸出電壓變化時(shí)，通過(guò)閉環(huán)負(fù)反饋控制電路自動(dòng)調(diào)節(jié)功率開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)間占空比，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。改變占空比的方法采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）。

PWM控制電路采用TI公司的LM5117芯片配以少量元器件，具有控制電路所需的必要功能，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。開(kāi)關(guān)管選用CSD18532KCS MOS場(chǎng)效應(yīng)管，續(xù)流二極管選用SR3100。

2 主要功能電路設(shè)計(jì)

2.1 PWM控制電路的設(shè)計(jì)

LM5117是一款采用峰值電流模式控制的同步降壓控制器，具有較寬的輸入電壓范圍和熱關(guān)斷功能。

（1）FB為閉環(huán)負(fù)反饋反饋輸入端，接輸出電壓的電阻分壓信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)分壓信號(hào)可以調(diào)節(jié)輸出電壓電平；C7、R5、C10構(gòu)成單極點(diǎn)單零點(diǎn)補(bǔ)償器電路（Ⅱ型環(huán)路補(bǔ)償），以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電壓環(huán)路增益。

（2）開(kāi)關(guān)頻率由直接連接至RT和AGND引腳并靠近器件的電阻R7設(shè)定，范圍可在50KHZ到750KHz改變；設(shè)開(kāi)關(guān)頻率為100KHz，R7取51KΩ。

（3）2腳DEMB接地啟用二極管仿真；R1與C2用來(lái)設(shè)置PWM的斜波斜率，產(chǎn)生一個(gè)RAMP斜波信號(hào)來(lái)仿真電感的交流分量。此信號(hào)不需測(cè)量沒(méi)有濾波延遲，沒(méi)有前沿尖峰，并保持了峰值電流模式控制PWM暫態(tài)閉環(huán)響應(yīng)較快，對(duì)輸入電壓的變化和輸出負(fù)載的變化瞬態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。

（4）1腳UVLO為欠壓鎖定編程引腳，遠(yuǎn)程控制EN通過(guò)Q1、R10、C6使穩(wěn)壓器處于待機(jī)模式。

（5）CM提供檢測(cè)到電感電流平均值輸出，R3、C5和R2、C4為兩級(jí)RC濾波器，用以衰減電流采樣噪聲。CS為電流檢測(cè)放大器的輸入，圖3中的電阻R9為電流檢測(cè)電阻。

（6）HO和LO為高邊、低邊NMOS柵極驅(qū)動(dòng)輸出，應(yīng)盡量通過(guò)一條低電感的短路徑連接；高邊柵級(jí)驅(qū)動(dòng)需與二極管D1和自舉電容C1配合工作。同時(shí)，HO和LO采用自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間來(lái)控制，以確保HO、LO輸出不會(huì)在同一時(shí)間輸出。

2.2 電源底板的設(shè)計(jì)

（1）儲(chǔ)能電感L1足夠大才能使電感電流連續(xù)，否則電感電流就會(huì)不連續(xù)。不連續(xù)模式將使直流變換器帶負(fù)載能力降低，穩(wěn)壓精度變差和紋波電壓增大。但L1值過(guò)大其體積和重量也會(huì)增大，應(yīng)綜合考慮。

本設(shè)計(jì)輸出電壓Uo=5V，輸入電壓要取最大值Ui=16V，輸出電流Io=3A，紋波電流一般取滿載電流的40%，開(kāi)關(guān)頻率為100KHz，可算出臨界電感Lc=7.1uH，綜合考慮取47uH，此時(shí)紋波電流最大值為0.73A。

（2）輸出濾波電容C應(yīng)采用高頻電解電容，常用多個(gè)電容器并聯(lián)，使輸出電容C有較小的等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）。選擇一個(gè)ESR最大為20mΩ的220uF高頻電解電容為主輸出電容，其最大紋波輸出電壓為理論值可由下式算出，低于20mV。為進(jìn)一步降低輸出電壓紋波和尖峰，可并接兩個(gè)低ESR/ESL的陶瓷電容。

（3）圖3中R2、R3、R4、R5、D1、D2可以縮短有效死區(qū)時(shí)間，確保場(chǎng)效應(yīng)管Q2、Q3有足夠的死區(qū)時(shí)間，以確保C1被充電。

2.3 輔助電源的設(shè)計(jì)

LM5117等需要有輔助電源供電，其穩(wěn)壓精度要求一般，本設(shè)計(jì)選擇串聯(lián)線性調(diào)整型穩(wěn)壓電源，采用三端可調(diào)正穩(wěn)壓器LM317來(lái)實(shí)現(xiàn)，電路簡(jiǎn)單，可靠、成熟，僅需外接電阻R1和RP2來(lái)設(shè)置輸出電壓（見(jiàn)圖4），其線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率較好，并具有較高的紋波抑制比。LM317內(nèi)置有過(guò)載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。

3 測(cè)試結(jié)果

（1）在額定輸入電壓16V的情況下，輸出電壓Uo=5±0.05V，輸出電流Io>3A，紋波電壓實(shí)測(cè)低于60mV，其效率大于87%，滿足設(shè)計(jì)要求；

（2）在輸入電壓為17.6V和13.6V時(shí)，電壓調(diào)整率滿足設(shè)計(jì)要求；

（3）在額定輸入電壓16V時(shí)，負(fù)載調(diào)整率滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)采用LM5117和CSD18532KCS MOS設(shè)計(jì)的降壓型開(kāi)關(guān)電源，帶負(fù)載能力強(qiáng)，大電流下紋波電壓小，具有較好的負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率，電路可靠，轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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