基于LM5117的5V開關電源的研究

鄒林甫 南京郵電大學通信與信息工程學院 馬意彭 南京郵電大學電子科學與技術學院

基于LM5117的5V開關電源的研究

鄒林甫 南京郵電大學通信與信息工程學院 馬意彭 南京郵電大學電子科學與技術學院

近年來開關電源依托其體積小，易攜帶等特點應用愈發廣泛，滲透到我們生活的各個部分。本文，從當前電子電力發展趨勢出發，以德州儀器LM5117芯片為例，詳細介紹降壓型開關電源的設計與應用。從降壓Buck電路，到MOS管驅動原理及輸出電路等方面向讀者做詳細的說明。

LM5117 開關電源 降壓

1 前言

開關電源，顧名思義就是通過控制器(IC)控制開關管(MOS)的通斷時間，來控制輸出電壓。它能將廣泛存在于各種電能設備的粗電，轉換為能供特定設備使用的精電。不僅在汽車電子，空調設備，電子音像等家用設備中應用廣泛，而且在通信設備，數控機床，醫療設備等領域大量使用，可以說，開關電源作為電源的一種形式在我們生產生活中有著不可或缺的作用。

2 設計原理

2.1 Buck電路

開關電源的電路種類很多，從結構上有隔離式和非隔離式。從功能上，又可分為升壓斬波、降壓斬波和升降壓斬波電路。本文主要介紹一種典型的降壓斬波電路，又叫做Buck電路。如圖1。

圖1 Buck電路

t=0時刻驅動V導通，直流電源E向負載供電，負載電壓uo=E，負載電流io按指數曲線上升t=t1時刻控制V關斷，負載電流經二極管VD續流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數曲線下降。為了使負載電流連續且脈動小通常使串接的電感L值較大。當電流連續時，uo與E有以下關系，一般通過脈沖寬度調制波形(PWM)來控制開關管的通斷。

本文所使用的控制器LM5117就是能根據電路輸出電壓反饋，自動的產生合適的PWM來控制開關管的通斷。LM5117支持5．5-65V的寬電壓輸入范圍，基本滿足各種應用場景。

2.2 應用電路設計

了解了降壓斬波電路的基本原理，我們進入實際的電路設計部分。LM5117芯片的詳細介紹，這里不再贅述，想深入了解的讀者可自行到網站下載。下面我們根據芯片典型應用電路的架構，以及芯片手冊所提供的理論值計算方法，最終確定芯片各引腳參數設置。

圖2 LM5117典型電路

UVLO端電壓需要大于1．25V，分壓電阻要根據輸入電壓確定，因為本設計的輸入電壓最大為17．6V，上端電阻R1=56kΩ，下端電阻R2=7．5kΩ；VCCDIS與CM引腳未使用，本例懸空處理；RT引腳可選定50kHz-750kHz之間的工作頻率，頻率高低與產品體積與功耗都有關系，本例選擇300kHz左右的工作頻率，根據公式得RT=18．75kΩ；RES引腳電容決定斷續模式重啟動時間，本例選取標準值0．47uF；SS引腳決定軟啟動時間，即最終達到輸出電壓穩態值所需要的時間，本例采用標準值0．1uF；COMP引腳控制放大器的增益和相位特性，可參考所選定的工作頻率與輸出相位特性，根據芯片手冊公式計算得，C上=62pF,C下=1．5nF，RCOMP=33kΩ；輸出電感與輸出電流和電壓都有關系，本例輸出電壓5V，滿載流為3A，據此計算得電感值為15uH，實際應用過程中可根據需要調節大小，此處可作為參考理論值；RAMP引腳有電感斜坡信號仿真的作用，電容CRAMP=820pF，電阻根據公式測算得RRAMP=40．2kΩ；VCC端電容提供瞬態電流，可取標準值0．47uF；CHB是自舉電容對H0端MOS管進行充電，CHB質量要好，最好是低ESR的陶瓷電容，本例中選擇標稱值0．1uF，DHB是一個自舉二極管，本例選擇肖特基二極管；CS與CSG端的采樣電阻用于電流采樣，一般選取10mΩ；高邊與低邊MOS管有多種選擇，本例選擇csd18532kcs開關管，最大輸入電壓60V與3．3mΩ的導通電阻，足以滿足設計需求；FB是反饋端，決定輸出電壓的大小，符合一定比例關系，可產生理想電壓，在設計時可加入一個滑動變阻器，利于參數調節，此處選擇R上=4．5kΩ，R下=900Ω。

可能有讀者會好奇，為什么需要兩個MOS管。實際上LM5117是控制芯片，它能根據使用者的設計，自動產生合適的PWM驅動MOS管通斷，此處低邊MOS管是替代原理圖中二極管的作用，LM5117可以產生合適的PWM波，使高低邊MOS管交替工作。

3 總結

3.1 結果與分析

依據以上電路設計參數，畫出原理圖、生成PCB、焊接元件進行調試，測得輸出電壓為5．020V，滿載輸出電流3,001A，滿足設計要求。若在調試中沒有達到理想結果，可以先測ULVO腳電壓是否大于1．25V，再觀察高邊和低邊MOS管的PWM波形。

3.2 問題

本例未加入過流保護功能，讀者可查閱相關資料進行完善，LM5117預留了相應引腳可進行控制，當然讀者可以設置外部電路進行電流檢測與控制。另外，開關電源的輸出電壓紋波什一項重要指標，限于篇幅，這里不再贅述，對這方面有要求的讀者可根據需要添加電容濾波。

[1]黃麗亞,楊恒新等.模擬電子技術基礎.第2版[M].北京：機械工業出版社，2012.8

[2]黃麗亞,楊恒新等.數字電路與系統設計[M].北京：人民郵電出版社，2015.2