降壓型直流開關穩壓電源的設計

丁荔++李太全++左競++姚凱強

摘 要本文設計了一種以LM5117為核心芯片，Buck降壓電路為核心電路，STC12C5A60S2單片機為控制部件的開關穩壓電源。該電源負載，調整率Si≤0.5%，電壓調整率Sv≤0.5%，DC-DC轉換率為93%。

【關鍵詞】DC-DC轉換 LM5117芯片 直流開關穩壓電源

開關電源是利用電子開關器件通過控制電路，使電子開關器件不停地“接通”和“斷開”，讓電子開關器件對輸入電壓進行脈沖調制，從而實現電壓變換、輸出電壓可調和自動穩壓。常用開關穩壓電源電路結構復雜，且難于實現穩壓數字化調節，本文介紹一種以LM5117為核心降壓芯片的直流穩壓電源，該電源設計簡單，可實現輸出穩壓數字化調節且工作效率較高。

1 電源整體設計

1.1 設計要求

輸出電壓偏差|UO|≤100mV；

最大輸出電流IO≥3A；

輸出紋波Uopp≤50mV；

負載調整率Si≤5%；

電壓調整率Sv≤0.5%；

效率η≥85%；

重量小于0.2kg；

具備過流保護和負載識別功能。

1.2 設計方案

本開關穩壓電源主要由電流檢測部分、過流保護部分、降壓部分、負載識別部分和輸出電壓調節部分組成，其工作原理框圖如圖1所示。直流穩壓電源輸出固定16V，經過LM5117為核心的Buck電路輸出穩定可調電壓，在輸出電路中串入電流檢測模塊送入單片機A/D采集并判斷電流是否大于動作電流，在Buck電路輸出端增加一個負載識別端口，外接電位器按U0=R/1k得到輸出電壓設定值，由單片機D/A控制輸出電壓到達設定值，構成閉合控制回路，其電路原理圖如圖2所示。

2 開關電源的組成部分設計

2.1 降壓電路

采用LM5117組成的DC-DC電路，其中LM5117是同步降壓控制器，適用于高電壓或各種輸入電源的降壓型穩壓器應用；其控制方法是基于仿真電流斜坡的電流模式控制，而電流模式控制具有固定的輸入電壓前饋、逐周期電流限制和簡化環路補償的功能，輸出紋波電壓小、效率可高達93%可很好滿足要求。

2.2 過流保護電路

LM5117一腳UVLO是欠壓鎖定編程引腳，我們采用軟件調控來實現電流過保護，通過控制芯片一腳的電壓來控制芯片的工作狀態。利用INA271高端檢測，通過接入電阻恒定為50mΩ的康銅絲采樣電壓從而算出電流。將INA271采樣輸出電壓送入單片機A/D采集，判斷計算出的電路電流是否大于動作電流值，過流時通過P3.1輸出低電平至Uvlo腳，芯片停止工作實現過流保護。該方案可行性高且可減小整個裝置質量，減小系統效率，如圖3所示。

2.3 降低紋波

注：Vro為總紋波大小，紋波是疊加在直流電壓的交流部分。ESR為 C的的等效串聯電阻。

由公式可知三種減小紋波電壓的方法：

（1）適當增大開關頻率，但此做法回事系統功耗增加，電源效率降低；

（2）減小ESR，可選擇若干電解電容，瓷片電容并聯ESR的值只有幾十毫歐，此方法有效減小紋波的同時可提高電容量，即增加輸出濾波電路電感可在一定范圍內盡量大；

（3）采用πLC濾波電路也可有效降低輸出端紋波大小。

2.4 DC-DC變換

采用非隔離型Buck電路，以LM5117為核心，由開關管CSD18532，電感，電容組成。由兩個開關管交替導通將輸入直流電壓變化成矩形波，空載時滿足（△W為空占比），當負載接入時，輸出電壓通過店主分壓反饋到芯片Fb腳，保持輸出電壓為穩定可調電壓。

2.5 穩壓控制

如圖4所示，自LM5117的FB引腳輸出的電阻分壓信號可設定輸出電壓電平在一定范圍內變化，FB引腳的調節閾值為0.8V。設定R0為1.2k，由電路圖可以確定DA輸入Ui和輸出UO間的關系為：

，通過確定R1，R2的阻值進行優化即可穩定輸出連續的電壓值，以實現輸出電壓的數字化控制。

3 電路設計

3.1 A/D采集電路

采用12位串行輸入模數轉換器TLC2543，此芯片使用開關電容逐次逼近技術完成A/D轉換過程，串行輸入結構可以節省單片機I/O口資源，分辨率較高，在儀器儀表中有較為廣泛的應用。

3.2 D/A輸出電路

采用TI公司生產的帶有緩沖基準輸入的雙路12位數模轉換器TLV5618，輸出電壓為基準電壓的兩倍，且單調變化。REF5040提供精準參考電壓4.096V。數字輸入端帶有斯密特觸發器，具有較高的噪聲抑制能力。

4 運行結果測試

4.1 器件選擇

由各種計算分析選擇開關頻率Fsw=1000kHz，定時電阻Rt=51K，輸出電感 Lo=22μH，電流檢測電阻Rs=5mΩ，輸出電容采用4個47μF電容并聯Cout=235μF，輸出分壓器Rfb1=1.45K，Rfb2=6.2K，電位調節器處處電壓為5V，Fcross=10K，Rcomp=27.4K，Ccomp=15nf。

4.2 方案測試

采用控制單一變量的方法對上述設計進行測試，測試結果該開關穩壓電源不僅滿足設計要求，而且在此要求的基礎上更加優化即輸出電壓偏差|Uo|≤35mV，最大輸出電流Io=3.2A，負載調整率Si=0.002，電壓調整率Sv=0.002，系統效率η=92.8%。

5 結論

本開關穩壓電源的設計核心是LM5117芯片，通過實際設計表明，以LM5117為核心設計的降壓型直流開關穩壓電源DC-DC的轉換率高達93%，具有廣泛的使用價值。

參考文獻

[1]P.R.Gray and R.G.Meyer.Analysis and Design of Analag Intergrated Circuits.3rd John Wiley&Sons，New York，1993.

[2]戶川活朗著.實用電源電路設計——從整流電路到開關穩壓器[M].北京：科學出版社，2011.

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[4]吳慎山主編.電子線路設計與實踐[M].北京：電子工業出版社，2011.

[5]臧春華主編.電子線路設計與應用[M].北京： 高等教育出版社，2012.

作者單位

長江大學 湖北省荊州市 434025