智能型多通道DC?DC變換器設計

摘 要： 采用多種智能型電壓轉換芯片，根據每個芯片的不同特征參數，搭建不同性能需求的電壓轉換電路；該設計由光電耦合器、三極管、PMOS管搭建切換電路，實現適配器供電與電池組供電的自動、快速切換；利用FPGA輸出的高低電平控制由三極管和PMOS管搭建的開關電路，實現對部分供電通道的智能通斷控制。該變換器已應用于微波探測儀的供電系統中，經測試表明該變換器具有效率高、紋波電壓低、良好的穩態和動態響應的優點。

關鍵詞： 智能控制； FPGA； DC/DC轉換器； 電源切換

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）22?0152?04

微波探測儀因其可以應用于反恐防暴、災后救援等領域而受到人們的廣泛重視，作為一種電子設備，電源在其中的地位不言而喻。因其需要多種電壓值供電，所以DC/DC變換器就成為必不可少的部分[1?2]。為給探測儀供電，設計了該變換器。主要指標為：輸入電壓范圍22～29.4 V，額定輸出電壓電流分別是15 V、1.5 A，12 V、1.2 A，5 V、0.85 A，-5 V、0.09 A，電壓穩定度為±5%，負載調整率小于1%，紋波系數為±2%，紋波電壓抑制比大于0.80，效率大于70%。

1 概 述

本文首先通過一個切換電路實現適配器供電與電池組供電的自動切換，而后直接給各通道電壓轉換芯片供電，轉換芯片將電源電壓轉換成負載需要的電壓值[3]。由于12 V和5 V通道不需要持續供電，所以增加了智能控制，由FPGA實現。各通道中用到的電壓轉換芯片有：LM5117[4]是一款同步降壓控制器，頻率可在50～750 kHz范圍內設定。5.5～65 V的寬電壓輸入范圍，輸出電流可達12 A以上，輕負載條件下效率較高。LM25088[5]是一款高壓異步buck型控制器。4.5～42 V的寬電壓輸入范圍，最大輸出電流可達7 A，甚至更高，在50 kHz～1 MHz范圍內頻率可調。MAX764[6]是一款高效率寬負載反向轉換器。輸入電壓范圍3～16 V，最大輸出電流250 mA。開關頻率高達300 kHz。由其特征知，滿足本文設計要求。

2 硬件電路

2.1 切換電路

切換電路如圖1所示，工作原理為：只有電池組供電時，電池組正極通過R51，U14，R54，R56接地，電阻R56上的分壓觸發三極管U9（2N5551）導通，使電池組正極通過R55和R52接地，R55上分壓加在Q10（IRF9530）柵極和源極之間，使其導通，電池組給負載供電。根據U9特性，選定R51為6.2 kΩ，R54為3 kΩ，R56為47 kΩ。結合Q10參數以及電池組電壓變動范圍，設定電阻R52為15 kΩ，R55為20 kΩ。當適配器接到A點時，使光耦3管腳和4管腳導通，電池組通過電阻R51被短路；此時，只有適配器給負載供電。光耦選用導通電流為16 mA的TLP521，R53選擇10 kΩ。

2.2 15 V電壓輸出電路

2.2.1 工作原理

LM5117包含一個內部高電壓偏置穩壓器，為PWM控制器和NMOS柵極驅動器提供了VCC偏置電源。其內部還包含一個雙電平UVLO電路，當VCC電壓超過自身UV閾值且UVLO電壓高于UVLO閾值時，HO和LO驅動器被啟用。直到VCC電壓和UVLO都低于自身UV閾值時，或芯片溫度超過熱關斷閾值時斷續模式被激活。UVLO電壓拉低時可提供非常低的靜態關斷電流，實現故障保護功能。LM5117包含幾個大電流NMOS驅動器和

一個相關的高邊電平轉換器，以驅動外部高邊Q16器件。這個高邊柵極驅動器與一個外部二極管D26及一個自舉電容C27配合工作。為了滿足持續供電需要，將RES管腳直接接至VCC管腳，使得重啟定時器被禁用，穩壓器在非斷續模式逐周期電流限制下工作。其原理圖見圖2。

2.2.2 重要器件參數確定

定時電阻：開關頻率通過RT引腳和地之間電阻來設定，本文設置的開關頻率是100 kHz，可由式（1）計算得到RT的阻值為51.1 kΩ。選擇標準值51 kΩ。

[R23=5.2×109fSW-948] （1）

濾波電感：通常情況下，20～40%的滿載電流是在磁芯損耗和電感銅損之間一個很好的折中方案。為了平滑輸出的紋波電壓，輸出電容要承擔更大的負荷。本設計中，選擇的紋波電流為7 A的40%。已知開關頻率、最大紋波電流、最大輸入電壓和額定輸出電壓，電感值可由式（2）計算得到26.23 μH，L選擇接近標準值的22 μH。

[LO=VOUTIPPMAXfSW×1-VOUTVINMAX] （2）

功率MOSFET[7]：本設計施加在NMOS器件的最大漏?源電壓為29.4 V。選定的NMOS器件必須能夠承受29.4 V電壓以及來自漏?源極的所有振鈴。為此，選用STP36NF06。

2.3 +12 V電壓輸出電路

工作原理：鑒于12 V通道與15 V通道電路所選擇的電壓芯片是相同的，雖然所選元器件參數略有不同，但是基本原理都是一樣的，所以就不再贅述。不同的是12 V供電通道負載對精度要求比較高，在輸出端口增加了磁珠設計，提高它的抗干擾能力。

2.4 +5 V電壓輸出電路

2.4.1 工作原理

LM25088控制方法采用仿真電流斜坡的電流模式控制。峰值電流控制模式提供了內在線電壓前饋，逐周期電流限制和易于循環補償功能。LM25088?2為過載保護提供了一個通用重啟定時器。其原理圖如圖3所示。

2.4.2 重要器件確定

定時電阻：通過R31的阻值大小可以改變LM25088振蕩器的開關頻率，因為開關頻率為287.5 kHz。

由式（3）計算得到21.041 kΩ，選用21 kΩ的標準電阻值。

[R31=1287.5 kHz-280 ns152 pF] （3）

濾波電感：濾波電感值的計算采用公式（2），選擇的紋波電流為3 A的40%。計算得12.03 μH，所以選擇標準電感值為10 μH的濾波電感。

功率MOSFET選擇：NMOS管的選擇與15 V通道中的選擇完全一致，就不再贅述。

2.5 -5 V電壓的實現

電路采用MAX764芯片設計，結構簡單易于實現，完全采用手冊中的典型設計即可滿足要求，所以這里不再給出電路圖。

2.6 智能控制電路

電路如圖1虛框中所示，其工作原理和元器件的選擇與切換電路相同，只是在B點接FPGA控制信號端口，接鋰電池處換成12 V或5 V電路輸出端，輸出端子接12 V或5 V負載[8?9]。

3 測試結果

經過調試電源轉換器功能正常。根據上述性能指標，分別對其中的四路通道進行了測試[10]，部分實測數據如表1所示，結果如表2所示。圖4給出了轉換器的實物圖，圖5為部分電路額定電流輸出時的紋波電壓截圖，圖6是部分電路在額定電流下輸出端電壓隨著輸入電壓改變的變化曲線圖。

4 結 語

本文設計的DC/DC變換器采用了新的轉換芯片和電源切換電路；整個電路設計結構簡單、性能穩定、響應速度快，調壓精度高；切換電路能夠迅速實現供電方式的相互切換；智能通斷控制由FPGA實現，對供電通道的通斷控制，方便靈活易于修改，極大地提高了整個電路的擴展性能。該變換器成功應用于微波探測儀中，效果良好。表明該設計擁有實用價值，具有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1] 芮騏驊，汪學明，劉炎，等.煤礦井下便攜式電子設備電源設計要點[J].工礦自動化，2012（6）：36?38.

[2] 鄒立君，唐心辰.淺談一種便攜式環境測試儀電源電路的設計[J].民營科技，2012（1）：45.

[3] 李朋飛.寬輸入電壓范圍多路輸出小功率開關電源研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011.

[4] National Semiconductor. LM5117 wide input range synchronous buck controller with analog current monitor [EB/OL]. [2011?05?25]. http：//www.ti.com.cn/product/cn/lm5117.

[5] National Semiconductor. LM25088/LM25088Q wide input range non?synchronous buck controller [EB/OL]. [2013?03?20].http：//www.ti.com.cn/product/cn/lm25088.

[6] Maxim. MAX764， MAX765， MAX766，?5V/?12V/?15V or adjustable， high?efficiency， low IQ DC?DC inverters [EB/OL]. [2013?06?28]. http：//datasheets.maximintegrated.com/en/ds.

[7] 張亮.基于ADP1053的數字控制DC/DC電源的研究[D].廣州：華南理工大學，2012.

[8] 楊軍，孟志華，楊俊.利用FPGA芯片實現PWM電源[J].信息化研究，2010，36（11）：41?44.

[9] 蘇榮鋒，許瑞年，黃毛毛.基于FPGA生成PWM波的實現[J].核技術，2012，35（6）：423?426.

[10] 苗新法.便攜式環境測試儀電源電路設計[J].通信電源技術，2010，27（3）：41?42.

[11] 趙衛.開關電源的過流保護電路[J].電子科技，2011（6）：116?117.