基于LM5117的降壓型直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

遼寧工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 祝 旭 孟麗囡 林 政 楊 亮

基于LM5117的降壓型直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

遼寧工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 祝 旭 孟麗囡 林 政 楊 亮

本文設(shè)計(jì)的降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源，以降壓控制器LM5117芯片為DC/DC控制核心模塊，以CSD18532KCS MOS場效應(yīng)管替代續(xù)流二極管來提高開關(guān)電源的效率。采用仿真電流斜坡的電流模式控制，簡化了環(huán)路補(bǔ)償?shù)墓δ?，使輸出電壓偏差范圍控制?0mV以下，并且通過調(diào)節(jié)反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、采用優(yōu)質(zhì)電感使輸出電壓紋波值VPP控制在50mV以內(nèi)，合理布置PCB版圖，采用低等效串聯(lián)電阻的濾波電容器整體使整體系統(tǒng)功耗降低，效率高達(dá)90%以上。合理調(diào)整LM5117芯片的電流監(jiān)視器CM管腳的電壓并反饋到VCCDIS引腳，利用芯片內(nèi)部功能實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。

紋波電壓；低功耗；過流保護(hù)

在工業(yè)控制，儀器儀表、微型控制模塊等應(yīng)用中，對直流電源提出很高的要求。因此，合理選擇電路結(jié)構(gòu)，控制方式，采取有效措施設(shè)計(jì)精度高、紋波小，效率高，工作穩(wěn)定可靠的直流電源具有重要意義。

1 設(shè)計(jì)方案

降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。采用LM5117控制降壓變換器，通過電壓反饋實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出。開關(guān)管選擇CSD18532KCS MOS場效應(yīng)管，并采用同步降壓技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效率穩(wěn)壓輸出。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 主電路

降壓斬波電路如圖2所示。開關(guān)管導(dǎo)通時，由于二極管的陰極電壓高于陽極，二極管處于關(guān)斷狀態(tài)，此時電源給電感充電，同時給負(fù)載供電。開關(guān)管關(guān)斷時，由于電感上的電流不能突變，這時的二極管導(dǎo)通，給電感電流提供回路，同時給負(fù)載供電。開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷期間，電感電流的變化量很小，據(jù)此推出輸入輸出電壓的關(guān)系：

其中D為占空比，Vout為輸出電壓，Vin為輸入電壓，占空比始終小于等于1，由輸入輸出關(guān)系可知，輸出電壓始終小于等于輸入電壓，也就是所謂的降壓。

圖2 降壓斬波電路

設(shè)計(jì)中的二極管采用MOS場效應(yīng)晶體管代替，由降壓同步控制芯片LM5117控制，可以大大提高電源效率。

2.2 控制電路

降壓控制器LM5117控制的降壓型穩(wěn)壓電源電路如圖3所示，控制芯片LM5117的工作頻率可以在50KHZ至750KHZ范圍內(nèi)設(shè)定，輸入電壓的范圍為5.5V至65V，穩(wěn)定的3.3A峰值柵極驅(qū)動，可利用自適應(yīng)死區(qū)時間控制來驅(qū)動外部高邊和低邊NMOS功率開關(guān)管。其他功能還包括熱關(guān)斷、頻率同步、斷續(xù)模式電流限制和可調(diào)輸入欠壓鎖定，設(shè)計(jì)中頻率設(shè)定230KHZ。

圖3 降壓控制器LM5117控制的降壓型穩(wěn)壓電源電路圖

2.3 供電電源設(shè)計(jì)

芯片供電電源采用內(nèi)部供電方式，降壓變換器輸入電壓16V，通過電阻接入LM5117 VIN引腳，通過內(nèi)部穩(wěn)壓器提供芯片電壓VCC。

2.4 反饋回路和反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

電壓反饋控制模式只有一個電壓反饋閉環(huán)，且采用的是脈沖寬度調(diào)制法，即經(jīng)電壓誤差放大器放大的變化的直流采樣信號與恒定頻率的三角波上斜坡信號相比較，經(jīng)脈沖寬度調(diào)制得到一定寬度的脈沖控制信號。逐個脈沖的限流保護(hù)電路另外附加，電壓反饋控制模式具有很多優(yōu)點(diǎn)：PWM三角波幅值較大，脈沖寬度調(diào)節(jié)時具有較好的抗噪聲裕量；占空比調(diào)節(jié)不受限制；單一反饋電壓閉環(huán)的設(shè)計(jì)、調(diào)試比較容易；對輸出負(fù)載的變化有較好的響應(yīng)調(diào)節(jié)。

2.5 降低紋波

紋波會降低開關(guān)電源的效率，較強(qiáng)的紋波會造成浪涌電壓或電流的產(chǎn)生，導(dǎo)致燒毀用電器，容易在用電器上產(chǎn)生諧波，從而帶來更多的危害。開關(guān)電源輸出紋波主要來源于五個方面: 輸入低頻紋波；高頻紋波；寄生參數(shù)引起的共模紋波噪聲；功率器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲；閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲；紋波來源不同，采用的紋波抑制方法也不同。文中針對低頻紋波采用前饋控制方法，并加大輸出低頻濾波的電感、電容參數(shù)；針對高頻紋波采用提高開關(guān)電源工作頻率，以提高高頻紋波頻率；加大輸出高頻濾波器，并采用多級濾波，使紋波控制在要求的范圍之內(nèi)。

2.6 過流保護(hù)電路

實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)的方法很多，設(shè)計(jì)中利用LM5117的CM引腳的電流平均值監(jiān)視功能和VCCDIS引腳的禁用內(nèi)部穩(wěn)壓器功能，調(diào)整適當(dāng)?shù)臋z測電阻參數(shù)使電流為3.2A時，VCCDIS電壓為1.25V，內(nèi)部穩(wěn)壓器停止工作，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。

3 測試結(jié)果

按照電路原理圖設(shè)計(jì)PCB，并進(jìn)行焊接調(diào)試，測試結(jié)果如下：

①輸出電壓偏差：額定輸入電壓16V，輸出的電壓偏差在18mV左右。

②最大輸出電流：額定輸入電壓16V，輸出的最大電流超過3A。

③輸出噪聲紋波電壓峰峰值：額定輸入電壓16V，額定輸出電流3A，輸出噪聲紋波電壓的峰峰值小于50mV。

④負(fù)載調(diào)整率：額定輸入電壓16V，I0從滿載I0max變到輕載0.2I0max時，負(fù)載調(diào)整率小于5%。

⑤電壓調(diào)整率：輸入電壓從17.6V變化到13.6V，額定輸出電流3A，電壓調(diào)整率小于0.5%。

⑥效率：額定輸入電壓16V，額定輸出電流3A時，效率大于90%。

⑦過流保護(hù)功能：額定輸入電壓16V，額定輸出電流3A，實(shí)際測出的動作電流與額定所給的動作電流的差值小于0.1A，即當(dāng)電流過大時可以實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)功能。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源實(shí)現(xiàn)了額定輸入16V時，可以輸出直流電壓5V，最大輸出電流3A。測試結(jié)果表明，采用LM5117控制降壓變換器，通過電壓反饋補(bǔ)償，并采用同步降壓技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出。電源輸出電壓偏差小、噪聲紋波小，電源效率高，且具有過流保護(hù)功能。

[1]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[2]LM5117中文數(shù)據(jù)手冊,http://www.ti.com.cn

[3]任琦梅,姜建.1MHz單周期控制同步整流buck變換器的設(shè)計(jì)[J].電測與儀表,2014,9:102-105.