基于高效低紋波的車載降壓變換器設計

遼寧工業大學 楊盛鈺 寧 武

基于高效低紋波的車載降壓變換器設計

遼寧工業大學 楊盛鈺 寧 武

以汽車電源為設計基礎設計車載電源轉換器，利用同步降壓控制器芯片LM5117和高性能MOS管CSD18532KCS為核心器件，完成了基于降壓型DC/DC變換器的直流開關穩壓電源，代替傳統車載電源轉換器，具有高效率的電源轉換和低紋波輸出，并有著過流保護的功能。

降壓變換器；車載電源；過流保護；高效率；低紋波

0 引言

伴隨著智能手機的出現，汽車上利用智能手機代替普通導航的現象已經普遍。但是智能手機的耗電量大而且普通車載電源轉換器的轉換效率低和紋波大的問題很容易造成智能手機以及其他車載電子設備的損壞，但是基于高效低紋波的車載降壓變換器便可以很好的解決此類問題。此車載降壓變換器對于傳統電源轉換器而言具有轉換電壓信號頻率高，電壓輸出精度高，體積小，成本低等優勢，可以很好的滿足車載電源的需求，具有廣闊的發展前景。

1 整體設計方案

本系統主要由降壓型直流開關電源模塊、過流保護模塊兩部分部分構成。降壓控制器與場效應管構成直流開關電源模塊，利用降壓芯片內置的過流保護功能實現過流保護作用。降壓直流穩壓模塊選擇適用于各種輸入電源的降壓型穩壓器且同步降壓的LM5117芯片，采用具有固有的輸入電壓前饋、逐周期電流限制和簡化環路補償的功能的電流模式控制，提高轉換效率。

圖1 電路原理圖

2 理論分析

2.1 DC-DC變換方法

通過控制MOS管的導通和關斷實現對輸出電壓的調節。將低邊MOS管和采樣電阻串聯實現對輸出電流的采樣并放大，使CM引腳的電壓在1.25V左右波動，并將其接至VCCDIS端。若VCCDIS大于1.25V，內部VCC穩壓器被禁用，從而實現過流保護功能。采用同步降壓方式進行二極管仿真，可以提高輸出效率。電感續流輸出接電容實現平滑輸出電壓紋波的功能。輸出端反饋接LM5117的FB實現基準電壓0.8V的控制，同時環路補償元件能夠消除ESR零點和負載極點的影響。

2.2 穩壓控制方法

LM5117包含一個內部高電壓偏置器，為PWM控制器和NMOS柵極驅動器提供了VCC偏置電源。當輸入電壓低于VCC設定點電平時，VCC輸出可用一個小壓降來跟蹤VIN引腳。

2.3 電流限制、過流保護電路

將LM5117的CM端輸出的直接連到VCCDIS端。如果VCCDIS大于1.25V，內部VCC穩壓器被禁用，當此引腳浮置時，可啟用VCC穩壓器。LM5117提供的平均輸出電流信息有助于實現過流保護功能。CM輸出的平均值可以用以下方法計算：

3 電路設計原理圖與器件選擇（見圖1）

（1）輸出電感Lo的選擇

最大電感紋波電流出現在最大輸入電壓時。電感值可以用以下公式計算：

（2）電源開關管QH和QL的選擇

功率NMOS器件的損耗可以分解為導通損耗、柵極充電損耗和開關損耗。導通損耗PDC約為：

（3）電流檢測電阻RS的選擇

電流檢測電阻的計算表達式為：

（4）UVLO分壓器RUV2、RUV1和CFT的選擇

RUV1、RUV2 的值可以用下式計算：

4 紋波抑制及實物圖

采用低ESR或多個電解電容并聯來降低ESR。采用可消除濾波電感中的噪聲并沒有任何老化問題的鐵硅鋁電感，繞制電感時要單向分段繞制使寄生電容量小。采用單點接地，減少公共阻抗耦合問題。