基于LM5116的Buck電路設(shè)計(jì)

／青島大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 姜啟剛 張傳偉 夏東偉 ／

基于LM5116的Buck電路設(shè)計(jì)

／青島大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 姜啟剛 張傳偉 夏東偉 ／

LM5116是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出業(yè)界首款6～100V的電流模式控制降壓控制器，適用于DC/DC電源供應(yīng)系統(tǒng)。LM5116芯片采用的電流模式控制技術(shù)是一種模擬電流模式的控制技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是可以減少噪聲對(duì)脈沖寬度調(diào)制電路的干擾，且確保必須以極小占空比操作的高輸入電壓系統(tǒng)能夠穩(wěn)定控制其占空比。文章主要介紹了芯片的引腳功能，過(guò)流監(jiān)測(cè)等功能，并進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)調(diào)試。

LM5116；降壓；電流模式控制

0 引言

LM5116高壓開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器能實(shí)現(xiàn)高效率的高壓降壓調(diào)節(jié)器的所有功能，并使用最少的外圍器件。該穩(wěn)壓器集成了能提供2A峰值電流的高邊和低邊MOS管的驅(qū)動(dòng)器電容。LM5116利用仿電流斜坡的電流模式控制[1]，仿峰值電流模式控制提供固定的線性前饋、周期性的電流限制、簡(jiǎn)單的環(huán)路補(bǔ)償。其工作頻率可編程，從50kHz～1MHz故障保護(hù)功能包括電流限流、熱關(guān)斷、遠(yuǎn)程關(guān)斷能力[2]。當(dāng)輸入電壓小于用戶設(shè)定的閾值時(shí)，欠壓鎖定會(huì)使調(diào)節(jié)器關(guān)斷，同時(shí)使能輸入端的使能功能使調(diào)節(jié)器工作在極低的關(guān)斷電流。原理圖如圖1所示。

圖1 原理圖

1 芯片管腳功能介紹及器件計(jì)算選型

1.1 管腳功能介紹

芯片管腳功能如下表所示。

1.2 參數(shù)選型計(jì)算

本文所設(shè)計(jì)的電路輸入電壓最低為28VDC，最高為45VDC，輸出電壓要求穩(wěn)定在24VDC對(duì)控制電路供電。其檢測(cè)輸出電流的方法是通過(guò)檢測(cè)串聯(lián)在電路中的小電阻的導(dǎo)通壓降來(lái)進(jìn)行過(guò)流判斷[3]。

（1）定時(shí)電阻

RT 用于設(shè)置振蕩器的開(kāi)關(guān)頻率， 阻值可以通過(guò)以下公式計(jì)算：

（2）輸出電感

表 芯片管腳功能

電感值根據(jù)工作頻率、負(fù)載電流、紋波電流和輸入輸出電壓確定。已知開(kāi)關(guān)頻率（fSW）100kHz，最大輸入電壓（VIN(MAX)）45VDC和標(biāo)稱輸出電壓（VOUT）24VDC，紋波電流15A，最大紋波電流（IPP）等于 20%～40%的滿負(fù)載電流，本文中為了更小的電感，選擇 40%的紋波電流。電感值可按如下計(jì)算：

（3）電容

斜坡電容的值（CRAMP）在仿真斜坡電路時(shí)是必須的。輸出電感 L的值單位是 H，gm是斜坡發(fā)生器的跨導(dǎo)（5μA/ V），A是電流感應(yīng)運(yùn)放的增益（10V/V），電流感應(yīng)電阻RS為5mΩ。

（4）軟啟動(dòng)電容

SS 引腳上的電容（CSS）決定軟啟動(dòng)的時(shí)間，指參考電平和輸出電平達(dá)到最終調(diào)節(jié)值的時(shí)間。CSS的值由以下公式?jīng)Q定：

（5）輸出電容

輸出電容可以平整電感紋波電流，提供一個(gè)給暫態(tài)負(fù)載充電的源。在此設(shè)計(jì)實(shí)例中，選擇 4個(gè) 220μF 的陶瓷電容。

（6）輸入電容

高質(zhì)量的輸入電容在抑制 VIN在打開(kāi)期間提供開(kāi)關(guān)電流時(shí)的電壓紋波方面是必須的。當(dāng)降壓開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，開(kāi)關(guān)電流進(jìn)入電感電流波形的谷值。這個(gè)輸入電容應(yīng)該選擇RMS電流等級(jí)以及最小的紋波電壓。一個(gè)好的符合紋波電流等級(jí)要求的近似值是 IRMS＞IOUT／2。低 ESR 的高質(zhì)量陶瓷電容被選擇用于輸入濾波器。考慮到電容公差和電壓等級(jí)，在此設(shè)計(jì)實(shí)例中，選擇 7個(gè)2.2μF 的陶瓷電容。

（7）VCC 電容

VCC 電容（CVCC）的主要目的是為了給 LO 驅(qū)動(dòng)器和自舉二極管提供瞬間電流峰值，也給 VCC 調(diào)節(jié)器提供穩(wěn)定工作條件，電流峰值可達(dá)幾個(gè)安培。CVCC的推薦值應(yīng)該不小于0.47μF，同時(shí)又有高品質(zhì)、低 ESR的陶瓷電容。位置要靠近IC 引腳以盡量減少引線電感造成的潛在破壞性電壓瞬變。在本設(shè)計(jì)中選擇 2.2μF。

（8）自舉電容

自舉電容（CHB）在 HB 和 SW 引腳之間，在每個(gè)循環(huán)打開(kāi)期間提供門(mén)極電流給高邊MOS 管柵極充電，也給自舉二極管提供恢復(fù)電荷。這些電流峰值可達(dá)到幾個(gè)安培。推薦自舉電容值至少達(dá)到 0.1μF，同時(shí)有好的品質(zhì)、低ESR，陶瓷電容，位置要靠近 IC引腳以盡量減少引線電感造成的潛在的破壞性電壓瞬變。在本設(shè)計(jì)中選擇2.2μF。

（9）MOS管的選擇

功率 MOS 管的選擇也是由開(kāi)關(guān)頻率來(lái)考慮的。高邊和低邊 MOS 管的關(guān)閉損耗是決定不同器件的相對(duì)效率一個(gè)方式。功率 MOS 管的損耗包括傳導(dǎo)損耗、柵極充電損耗、開(kāi)關(guān)損耗。傳導(dǎo)或者 I2R 損耗 PDC，由下式近似得出：

其中 D 是占空比，1.3 因子認(rèn)為是由于加熱導(dǎo)致 MOS 管導(dǎo)通阻抗增加的系數(shù)。柵極充電損耗，PGC，根據(jù)電流驅(qū)動(dòng)功率 MOS 管的柵極電容，近似為：

Qg指一個(gè) MOS管總的柵極電荷，n指的是 MOS 管的個(gè)數(shù)。如果使用了不同種類(lèi)的 MOS管。n可以被忽略，他們的柵極電荷累積成一個(gè)總的 Qg。柵極充電損耗跟存在于 LM5116的傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損耗不同，也不在 MOS 管的本身。LM5116更多的損耗也存在，如由內(nèi)部線性調(diào)節(jié)器提供的柵極驅(qū)動(dòng)電流。在短暫的轉(zhuǎn)換周期如 MOS 管的開(kāi)和關(guān)，開(kāi)關(guān)損耗就會(huì)存在。在這個(gè)轉(zhuǎn)換周期，電流和電壓多出現(xiàn)在 MOS 管的通道上。這個(gè)開(kāi)關(guān)損耗可以近似的：

其中 tR和 tF是MOS管的上升和下降時(shí)間。開(kāi)關(guān)損耗只能通過(guò)高邊 MOS 管來(lái)計(jì)算。低邊MOS 管的開(kāi)關(guān)損耗可以忽略，因?yàn)榈瓦?MOS 管的寄生二極管在 MOS 管本身之前打開(kāi)。使漏極到源極的電壓在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)降到最小。在本例中，MOS管的最好選擇是IPB025N08。在正常工作時(shí)需要維持降壓比率較高的應(yīng)用中，效率可以通過(guò)選擇低Qg的高邊MOS管和低的RDS（ON）低邊MOS管來(lái)優(yōu)化。

對(duì)于邏輯電平不是真的高壓MOS管，使用UVLO功能非常重要。選擇一個(gè)對(duì)完全增強(qiáng)MOS管柵極足夠高的VCC和自舉（HB）供電的最小工作電壓。這可以防止在會(huì)導(dǎo)致MOS失效的接通或關(guān)閉電源時(shí)工作在線性區(qū)域。當(dāng)輸出電壓供應(yīng)給VCCX時(shí)，也需要作出類(lèi)似的考慮。

（10）MOS緩沖器

低邊 MOS 管的電阻電容組成的緩沖網(wǎng)絡(luò)可以減少開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上的振鈴和尖峰。過(guò)度的振鈴和尖峰會(huì)引起不穩(wěn)定工作，并在輸出端耦合尖峰和噪聲。緩沖網(wǎng)絡(luò)的值最好通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瞳@得。首先，要使緩沖節(jié)點(diǎn)的引線長(zhǎng)度最短。電阻值在 5Ω和 50Ω之間。增加緩沖電容的值可以增加阻尼，但會(huì)引入更高的損耗。選擇一個(gè)在最大負(fù)載下能夠給開(kāi)關(guān)波形尖峰提供適當(dāng)阻尼的最小緩沖電容。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖2～4為L(zhǎng)M516的Buck電路測(cè)試波形，從圖中可看驅(qū)動(dòng)波形基本穩(wěn)定，電流紋波較小，滿足了設(shè)計(jì)要求。

圖2 電流紋波

圖3 輸出波形

圖4 驅(qū)動(dòng)波形

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于LM5116的控制芯片，進(jìn)行了Buck電路的設(shè)計(jì)，首先對(duì)芯片的外圍參數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算，根據(jù)計(jì)算進(jìn)行器件選型，然后繪制電路板并進(jìn)行上電老化測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明設(shè)計(jì)過(guò)程參數(shù)選擇基本合理，完成了設(shè)計(jì)要求。

[1] 趙濤,劉漢忠,張永號(hào),等.電流模式控制正激變換器的建模及設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù),2013,47(8):4-6.

[2] 俞利明,陳宇,曾逢春等.基于LM5116的工業(yè)級(jí)電源模塊設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2012,25(12):13-14,16.

[3] Mohammad H. Moradi,Younes Mohammadi.A new current-based method for voltagesag source location using directional overcurrent relay information[J]. European transactions on electrical power,2013,23(2):270-281.