基于LM5117大功率恒流源的設(shè)計(jì)

鄭世偉，饒連周，許國(guó)忠，王坤森，張廷光，陳俊瑋

（1．裝備智能控制福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 三明 365004；2．三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明365004；3．福建電視大學(xué) 三明分校，福建 三明365000）

基于LM5117大功率恒流源的設(shè)計(jì)

鄭世偉1,2，饒連周1,2，許國(guó)忠1,2，王坤森1,2，張廷光1,2，陳俊瑋3

（1．裝備智能控制福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 三明 365004；2．三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明365004；3．福建電視大學(xué) 三明分校，福建 三明365000）

采用TI最新同步降壓控制芯片LM5117與超低內(nèi)阻MOS管CSD18532KCS為核心，設(shè)計(jì)一款具有寬輸入電壓15～55V，輸出電壓12V，輸出電流12A的降壓型大功率恒流源。樣機(jī)經(jīng)測(cè)試滿載效率為91．1%、負(fù)載調(diào)整率Si≤1%、電壓調(diào)整率Sv≤0．2%，可應(yīng)用在電鍍、熱處理爐、照明等行業(yè)。

同步降壓;LM5117;恒流源

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子設(shè)備發(fā)展越來(lái)越來(lái)高端和智能化，為了保證高端電子設(shè)備性能穩(wěn)定，需要提供更加優(yōu)質(zhì)的高端電源，這就要求電源體積小，集成度、高頻化[1]。為了提高效率，選擇導(dǎo)通電阻極低的MOSFET替代整流二極管進(jìn)行同步整流，能夠降低損耗[2]。為了輸出高功率，高電壓輸出使得器件選型上需要增加成本，所以降低輸出電壓，提高輸出電流能夠在一定范圍內(nèi)降低制造成本[3]。所以研究大功率恒流DC-DC降壓型開(kāi)關(guān)電源是新的趨勢(shì)。

1 大功率恒流源的電路設(shè)計(jì)

大功率恒流源電路原理圖見(jiàn)圖1。本設(shè)計(jì)的大功率恒流源主要由芯片LM5117、場(chǎng)效應(yīng)管CSD18532KCS和伍爾特電感組等元件組成，是一種具有寬輸入同步降壓拓?fù)洌˙UCK）電路結(jié)構(gòu)。設(shè)定LM5117工作頻率為230 kHz，正常工作時(shí)芯片LM5117可以產(chǎn)生兩路互補(bǔ)PWM波，通過(guò)U1引腳15（LO）、引腳18（HO）分別控制場(chǎng)效應(yīng)管Q2和Q1。由于LM5117內(nèi)部自帶死區(qū)時(shí)間，可以保證工作時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q2不同時(shí)導(dǎo)通，并經(jīng)過(guò)LC電路實(shí)現(xiàn)恒流輸出。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，U1引腳2(DEMB)接高電平，選擇電流連續(xù)工作模式。LM5117采用一種基于仿真電流斜波的電流控制模式，具有輸入電壓前饋、逐周期電流限制和環(huán)路補(bǔ)償?shù)裙δ埽山档兔}寬調(diào)制電路對(duì)噪聲的敏感度[4]。

圖1 大功率恒流源電路原理圖

2 大功率恒流源主要元件參數(shù)的設(shè)計(jì)

大功率恒流源電路主要元件參數(shù)的設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖1）采用以下條件：寬輸入電壓15～55 V，額定輸入直流電壓Ui=36 V，額定輸出直流電壓Uo=12 V，額定輸出電流Io=12A，最大輸出功率Po=144 W，LM5117的工作頻率fsw=230 kHz。

2.1 輸入電容和輸入分壓電阻

根據(jù)紋波電流額定值和最小紋波電壓選擇輸入電容。根據(jù)芯片手冊(cè)可得，輸入紋波電流額定值的合適近似值是Irms＞Io/2=12A/2=6A[4]。本設(shè)計(jì)中，輸入電容Cin采用5個(gè)優(yōu)質(zhì)三洋高頻電解電容并聯(lián)，C1=C2=C3=C4=C5=3.3 μF，可減少輸入電容等效電阻，降低電容的損耗，提高效率。再由公式（1），可得輸入紋波電壓ΔVin=0.79 V。

LM5117啟動(dòng)電壓與遲滯電壓由分壓器 R1、R2的分壓值來(lái)設(shè)置。為了降低電源噪聲干擾，在 R2兩端并聯(lián)陶瓷濾波電容C23，有助于降低注入到 UVLO引腳的開(kāi)關(guān)噪聲。根據(jù)芯片手冊(cè)建議 C23值范圍是 10～220 pF，采用陶瓷電容與R2并聯(lián)[4]。在設(shè)計(jì)中，電容取值為C23=47 pF，啟動(dòng)電壓設(shè)置為Vq=14 V，芯片內(nèi)部遲滯電壓 Vhys=2 V，遲滯電流 Ihys=20 μA[4]。 由公式（2）計(jì)算得 R1=100 kΩ，由公式（3）計(jì)算得R2=9.8 kΩ。

2.2 輸出電感和輸出電容

在BUCK電路中，輸出電感L具有儲(chǔ)能和平緩電流的作用，當(dāng)輸入電壓最大時(shí)，電感紋波電流最大。較高的紋波電流可以使用較小尺寸的電感器，但為了平滑輸出的紋波電壓，輸出電容要承擔(dān)更大的負(fù)荷。通常情況下，選擇紋波電流為滿載電流20%至 40%[4]。本設(shè)計(jì)，選擇最大紋波電流Ipp(max)為Io=12 A的 40%。根據(jù)設(shè)定的開(kāi)關(guān)頻率、最大紋波電流、最大輸入電壓和額定輸出電壓，輸出電感Lo可以通過(guò)以下公式（4）計(jì)算，

可得Lo=8.51 μH。為了保證電感的儲(chǔ)能效果最好，吸收紋波電流效果最佳，電感類型選擇封閉式貼片伍爾特電感。

輸出電容為負(fù)載提供可以平滑電感紋波電流引起的輸出電壓紋波，并在瞬態(tài)負(fù)載條件下提供一個(gè)充電電源[4]。選擇等效電阻Resr為20 mΩ直插優(yōu)質(zhì)三洋高頻電解電容并聯(lián)，能夠降低電容等效電阻，降低電容發(fā)熱，提高電容的使用壽命，并且能夠提高效率。因此，這里輸出電容Co選擇5個(gè)優(yōu)質(zhì)三洋高頻電解電容并聯(lián)，即 C18=330 μF，C19=47 μF，C20=47 μF，C21=33 μF，C22=33 μF。 并通過(guò)公式（5），計(jì)算可得較低的輸出紋波電壓ΔVout=96 mV。

2.3 驅(qū)動(dòng)電阻、定時(shí)電阻、電流檢測(cè)電阻和斜波電阻

場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q2采用TI公司3.3 mΩ超低內(nèi)阻的MOS管CSD18532KCS，具有輸入阻抗小，內(nèi)阻低，耐壓高，控制電流大優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)管的電器特性，設(shè)置驅(qū)動(dòng)電阻R10=R10=10Ω，為了加快驅(qū)動(dòng)速度，并聯(lián)開(kāi)關(guān)二極管D3、D4。

LM5117典型電路頻率工作在50～750 kHz，工作頻率越高，電感紋波小，集成度更高，但損耗也隨之升高。這里折中選取較合理的工作頻率fsw=230 kHz[4]。根據(jù)定時(shí)電阻計(jì)算公式（6），計(jì)算可得定時(shí)電阻R5=21.7 kΩ。

根據(jù)芯片手冊(cè)，公式（7）中，取K=1以控制次諧波振蕩和實(shí)現(xiàn)單周期阻尼；逐周期檢測(cè)電壓閾值Vcs(TH)=0.12 V；Ipp(min)=1.23 A；最大輸出電流Io(max)取額定輸出電流Io=12 A的 30%[4]。通過(guò)公式（7）計(jì)算，可得電流檢測(cè)電阻R9=8.005 mΩ。

電感電流斜坡信號(hào)是通過(guò) R3和 C6仿真實(shí)現(xiàn)的，取C6=820 pF[4]。通過(guò)式（8），計(jì)算可得斜波電阻 R3=130 kΩ。

2.4 輸出反饋電阻

為了調(diào)整穩(wěn)定輸出電壓Uo，根據(jù)芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓值，可設(shè)置輸出反饋電阻R13和R14、R15。先設(shè)定 Rfb2=R13=12 kΩ，根據(jù)公式（9），計(jì)算可得 Rfb1=857 Ω，由此 R14=330 Ω，R15用 1 kΩ 的可調(diào)精密電阻。

3 大功率恒流源的測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試設(shè)備采用四位半數(shù)字萬(wàn)用表、電子直流負(fù)載儀、KT137失真度儀和數(shù)字示波器。

額定輸入電壓36V，調(diào)整負(fù)載，使輸出電壓12V，輸出電流12A，測(cè)試5組數(shù)據(jù)，并計(jì)算出輸入功率、輸出功率和效率，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由此可見(jiàn)，在恒流源滿載的情況下，效率可達(dá)η=91.1%。

表1 恒流源的功率和效率

表2 恒流源的負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率

在額定輸入電壓36 V，輸出電流12 A時(shí)，調(diào)整負(fù)載，測(cè)試5組數(shù)據(jù)并計(jì)算出電流負(fù)載調(diào)整率Si；在輸出電流12 A時(shí)，調(diào)整輸入電壓從15 V變到55 V，測(cè)試5組數(shù)據(jù)并計(jì)算出輸入電壓調(diào)整率Sv。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由此可見(jiàn)，恒流源的電流負(fù)載調(diào)整率Si＜1%和輸入電壓調(diào)整率Sv＜0.2%。

4 結(jié)論

論文闡述了基于TI公司LM5117芯片、場(chǎng)效應(yīng)管CSD18532KCS和伍爾特電感為核心器件的大功率恒流源。樣機(jī)在輸入電壓15～55 V的范圍內(nèi)，調(diào)整負(fù)載，測(cè)得輸出電壓Uo=12 V，輸出電流Io=12 A，轉(zhuǎn)換效率為η=91.1%，負(fù)載調(diào)整率Si＜1%，電壓調(diào)整率Sv＜0.2%，是一款輸出電壓穩(wěn)定，紋波小，低損耗，高性能大功率恒流源，可以應(yīng)用在電鍍、醫(yī)療設(shè)備、高端電子設(shè)備等行業(yè)，值得研究和推廣。

［1］ 黃海宏，王海欣，張毅．同步整流的基本原理［J］．電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007（2）：27－29．

［2］陳彎．一種高效率升降壓DC－DC變換器的研究［D］．錦州：遼寧工業(yè)大學(xué)，2016．

［3］ 沈志亮，饒連周，梁其波，等．基于單片機(jī)和 GPRS 智能限電器的設(shè)計(jì)［J］．三明學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，33（4）：72－77．

［4］ LM5117／Q1 具有模擬電流監(jiān)視器的寬輸入范圍同步降壓控制器［EB／OL］．［2017－03－13］．http： ／／www．ti．com．cn ／product／cn ／LM5117 ／datasheet／8_ZHCS579F．html.

（責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

Design of High-power Constant Current Source Based on LM5117

ZHENG Shi-wei1,2,RAO Lian-zhou1,2,XU Guo-zhong1,2,WANG Kun-sen1,2,ZHANG Ting-guang1,2,CHEN Jun-wei3
（1.Key Laboratory of Equipment Intelligence Control of Fujian Province,Sanming 365004,China;2.School of Technical and Electronical Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China;3.Sanming Branch School,Fujian Television University,Sanming 365000,China

Taking the latest synchronous step-down control chip TI LM5117 and ultra-low resistance MOS tube CSD18532KCS as the core,a wide input voltage 15～55V,output voltage 12V,output current 12A step-down type high-power constant current source is designed in this paper.The prototype is tested with full load efficiency 91.1%,load regulation factor Si≤1% and voltage regulation factor Sv≤0．2%,which can be used in electroplating industry,heat treatment furnace,lighting and other industries.

synchronous buck;LM5117;constant current source

TM46

A

1673－4343（2017）04－0052－04

10．14098 ／j．cn35－1288 ／z．2017．04．009

2017－04－19

福建省“卓越工程師”教育培養(yǎng)計(jì)劃改革試點(diǎn)項(xiàng)目（SD1108）

鄭世偉，男，福建德化人，大學(xué)生；通訊作者：饒連周，男，福建明溪人，教授。主要研究方向：光電技術(shù)及自動(dòng)控制。