降壓型直流開關穩壓電源的設計

吳克文

（黃岡職業技術學院，湖北黃岡438000）

降壓型直流開關穩壓電源的設計

吳克文

（黃岡職業技術學院，湖北黃岡438000）

本降壓型直流開關穩壓電源以LM5117芯片和CSD18532KCS MOS場效應管為核心器件，實現了DC—DC變換功能，并以STM32f103zet6單片機作為主控制芯片，實現了過流保護控制、電阻負載識別以及實時顯示輸出電壓、電流和功率等功能。該電路結構簡單、輸出電壓穩定，直流轉換效率高，能在直流轉換場合得到廣泛應用。

LM5117；CSD18532KCS；DC-DC轉換；穩壓

前言

電子產品的正常持續工作一般都離不開可靠的電源系統，開關電源主要通過控制晶體管的導通和關斷的時間比率，維持一個近似穩定輸出電壓的一種電源。開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。開關穩壓電源根據開關管在電路中的連接方式分類，可分為串聯型開關穩壓電源、并聯型開關穩壓電源和脈動變壓器耦合式開關電源。開關穩壓電源的效率高，電壓范圍寬，輸出電壓相對穩定，由于開關管工作在開關狀態，功耗小，所以開關電源的工作效率可達80%～90%，這為開關電源提供了廣泛的發展空間。本文針對降壓型直流開關穩壓電源作了深入研究和探索，提出了一種切實可行的設計方案。

一、方案設計與論證

（一）穩壓電路的選擇

方案一：以7805作為穩壓電路的控制核心，該穩壓集成塊內部電路具有過壓保護、過流保護、過熱保護功能，性能穩定。但是最大輸出電流不能滿足要求。

方案二：以LM5117作為降壓控制器，是基于采用仿真電流斜波的電流模式控制。電流模式控制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，而且還包括熱關斷、頻率同步、斷續模式限制和可調輸入欠壓鎖定等功能。而且輸出的電流較大，能滿足題目的大電流的輸出要求。

基于以上分析，要很好地完成題目的基本要求，經綜合考慮后選擇了方案二。

（二）控制器的選擇

方案一：選用AT89C51作為主控器件，用來實現題目所要求的各種功能。此方案最大的特點是系統規模可以做得很小，成本較低。但是AT89C51的CPU工作頻率較低，功耗較高，資源不夠豐富。

方案二：選用STM32f103zet6作為系統的控制核心，能實現題目所要求的功能，而且該芯片具有32位基于ARM核心的帶512K字節閃存的微控制器USB、CAN、11個定時器、3個ADC、13個通信接口。最重要的是STM32f103zet6具有超低的功耗，這是其他控制器不可比擬的優勢。

在此系統中，經過細致的思考，最終選擇了使用STM32f103zet6作為整個系統的控制核心。

二、理論分析與計算

根據題目設計要求，要實現降壓直流開關穩壓，即實現DC-DC轉換，并具有過流保護功能，能實時顯示電壓和電流值。由此設計的原理框圖如圖1所示。

圖1 降壓直流開關穩壓的原理框圖

（一）DC-DC轉換電路的分析與計算

根據LM5117降壓控制器的應用特點及其特征，對其外圍電路的分析與設計如下：

1.定時電阻RT

LM5117開關頻率是通過RT引腳和AGND引腳之間連接一個外部電阻來設定的。一般來說，較高頻率的應用體積比較小，但損耗也比較高。對于此作品的設計，選定230KHz，利用，可以計算得到RT值=21.7。

2.輸出電感

通常情況下，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，輸出電容要承擔更大的負荷。本題選擇的紋波電流為3A的40%。利用公式，根據題目要求，輸入電壓為5V，此時對應的最大電流為3A，則得到輸出電感為。

3.電流檢測電阻RS

轉換器的性能根據K值會有所不同。此題中選擇了K=1,以控制次諧波振蕩和實現單周期阻尼。考慮到誤差和紋波電流，最大輸出電流能力（IOUT(MAX)）應高于所需輸出電流的20%至50%。在此作品的設計中，選擇了3A的130%。電流檢測電阻值可以利用公式，

4.輸出分壓器RFB2和RFB1

RFB1和RFB2設置輸出電壓電平。兩電阻之間的關系為，RCOMP和RFB2之間的比值決定了中頻增益AFB_MID。較大值的RFB2可能需要相應較大值RCOMP。RFB2應足夠大，以使分壓器總功耗很小。在這個例子中，RFB2選擇了5.1KΩ，其結果是5V輸出的RFB1值為1KΩ。

5.環路補償元件CCOMP、RCOMP和CHF

CCOMP、RCOMP和CHF可配置誤差放大器增益和相位特性，以產生一個穩定的電壓環路。通過選1/10的開關頻率FSW，則

6.斜坡電阻RRAMP和斜坡電容CRAMP

LM5117采用了一個獨特的斜波發生器，仿真電感器電流為PWM比較器提供一個斜波信號。電感電流斜坡信號是通過RRAMP和CRAMP仿真的。此題目中，設置了CRAMP=820pF。利用電感器可選擇檢測電阻和K系數，利

7.UVLO分壓器RUV2、RUV1和CFT

所需啟動電壓和遲滯由分壓器RUV1和RUV2來設定。電容CFT為分壓器提供濾波。對于這樣的設計，啟動電壓設置為VIN=16V，VHYS=2V，CFT的值選擇47pF。

8.開關管QH和QL

開關管，選擇了CSD18532KCS MOS場效應管，與開關頻率的協調一致。克服高邊與低邊MOS器件的損耗是比較不同器件相對效率的途徑之一。功率MOS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。

9.自舉電容CHB和自舉二極管DHB

在每個周期的開啟期間，HB和SW引腳之間的自舉電容提供柵極電流，對高邊MOS器件柵極充電，還為自舉二極管提供恢復電荷。這些電流峰值可達幾安培。自舉電容設置為0.47uF。

為了更好消除紋波的大小，在輸入和輸出端接入了濾波電路，再結合以上分析計可得到DC-DC轉換電路如圖2所示。

圖1 DC-DC轉換電路

（二）過流保護電路的分析與計算

通過STM32f103zet6單片機控制電機驅動ULN2803，當超過設定電流值時，繼電器工作，斷開電源，對應電路圖如圖3所示。

圖3 過流保護電路

三、軟件設計

本設計采用STM32f103zet6處理器進行控制，應用A/D采樣檢測輸出電壓和電流，并計算出實際功率；通過預設保護電流值，實現過流保護，并能實時監控當前的電流和電壓值。軟件控制流程圖如圖4所示。

圖4 軟件控制流程圖

四、測試結果

作品完成后，對相關參數進行了測量，測量結果如下所示：

（一）輸出電壓測試

測試方法：保持輸入電壓16V，通過調整輸出電阻的大小，利用萬用表測試輸出電阻兩端的電壓，測試結果如表1所示。

表1 輸出電壓測試數據

（二）輸出電流測試

測試方法：保持輸入電壓16V，通過調整輸出電阻的大小，將萬用表與輸出電阻進行串聯，測試結果如表2所示。

表2 輸出電流測試數據

五、總結

經過反復調試和改進，最終的輸出電壓穩定，直流轉換效率高，可靠性也很高，能實現在直流轉換場合的廣泛應用。

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TM44

A

1671-5136(2017)01-0135-02

2017-03-22

吳克文（1980-），男，湖北黃岡人，黃岡職業技術學院副教授。研究方向：計算機網絡技術、計算機信息安全、WEB技術應用、電腦芯片級維修、數據恢復技術。