基于LM5117P的降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

戴帥龍，屈秋夢(mèng)，王家禹

（三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌，443002）

基于LM5117P的降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

戴帥龍，屈秋夢(mèng)，王家禹

（三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌，443002）

降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源是一種單向DC-DC變換器，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定直流降壓功能。本系統(tǒng)采用同步降壓控制器LM5117P作為電路控制核心，以同步Buck電路作為降壓主電路，通過閉環(huán)回路反饋設(shè)計(jì)以及芯片本身的精準(zhǔn)采樣，將輸入電壓16V降為5V恒壓輸出。

Buck電路；DC-DC轉(zhuǎn)換；LM5117P；穩(wěn)壓

0 引言

降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源具有功耗小、效率高、輸出穩(wěn)定電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn),在當(dāng)今電子設(shè)備中充當(dāng)著重要角色。本文根據(jù)生產(chǎn)要求，通過研究降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換機(jī)理，對(duì)降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源方案進(jìn)行論證，分析降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源理論并計(jì)算相關(guān)參數(shù)，以降壓控制器LM5117芯片和CSD18532 MOS場(chǎng)效應(yīng)管為核心器件設(shè)計(jì)降壓型直流穩(wěn)壓開關(guān)電源。

1 方案論證

1.1 DC-DC主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

方案①:異步Buck降壓斬波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由一個(gè)NMOS晶體管和一個(gè)二極管構(gòu)成，電感L交替地存儲(chǔ)和釋放能量，電容C可將輸出電壓保持平穩(wěn)，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為Uout=DUin，由于D≤1,所以Uout≤Uin。該電路采取直流變流的方式實(shí)現(xiàn)降壓。

方案②:同步Buck降壓斬波電路

同步Buck降壓斬波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)跟異步基本相同，由兩個(gè)NMOS晶體管構(gòu)成，N2代替上圖的二極管起續(xù)流作用。在負(fù)載電流較大情況下，同步Buck電路相對(duì)導(dǎo)通功耗小，且同步Buck電路的效率要大于異步Buck電路的效率。

圖1 為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以同步降壓控制器LM5117P作為電路控制核心，Buck電路為主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將輸入、輸出電壓分別進(jìn)行濾波之后，降壓輸出，其中芯片連接過流保護(hù)電路，輸出電壓通過采樣電路反饋調(diào)節(jié)占空比進(jìn)行穩(wěn)壓。

2 理論分析與計(jì)算

2.1 降低紋波的方法及參數(shù)計(jì)算

并聯(lián)濾波電容可以平滑電感紋波電流引起的輸出電壓紋波即降低輸出電壓紋波的幅值，并在瞬態(tài)負(fù)載條件下提供一個(gè)充電電源。

參考實(shí)驗(yàn)室器材，選取22μF電容器作為主輸出電容。由于與主輸出電容并聯(lián)，以進(jìn)一步降低輸出電壓紋波，可以選取10μF、1μF、20nF電容與其并聯(lián)，構(gòu)成33.02μF的輸出電容。

2.2 DC-DC變換方法

由所選的方案知，電源通過同步Buck實(shí)現(xiàn)DC-DC降壓變換，一個(gè)周期T內(nèi)，兩個(gè)開關(guān)管若同時(shí)導(dǎo)通會(huì)使電路短路（不存在）。

當(dāng)N1閉合時(shí)（ton），電感L兩端的電位為Uin和輸出電壓U0，電感電流增加，電感儲(chǔ)能，電源向電容充電，電容儲(chǔ)能。

當(dāng)N2閉合時(shí)(toff)，電感L中的磁場(chǎng)將改變其兩端的電壓極性，以保持其電流方向不變。電感L兩端的電位變?yōu)榱愫蚒0，電感L中的電流線性下降，其中儲(chǔ)存的能量提供給負(fù)載。同時(shí)，當(dāng)U0有所下降時(shí)，電容C也為負(fù)載RL提供能量。

負(fù)載電壓的平均值由公式（3）可得，

實(shí)現(xiàn)了DC-DC變換。

2.3 穩(wěn)壓控制方法與參數(shù)計(jì)算

輸出電壓處的分壓電阻如圖,通過滑阻R2調(diào)節(jié)A點(diǎn)處采樣電壓的大小，經(jīng)過反饋通路到達(dá)芯片的FB端口，與REF預(yù)設(shè)值進(jìn)行運(yùn)算之后輸入PWM比較器。

圖2 為穩(wěn)壓反饋采樣電路

當(dāng)Uout≥5V時(shí),PWM比較器通過比較適當(dāng)減小占空比，從而降壓使電壓回到5V;當(dāng)Uout＜5V時(shí)，PWM比較器通過適當(dāng)增大占空比，從而升壓使電壓回到5V，這樣就達(dá)到了穩(wěn)壓的要求。

3 電路與程序設(shè)計(jì)

3.1 主回路與器件選擇

為降低損耗，主開關(guān)選擇CSD18532KCS MOS場(chǎng)效應(yīng)管，并用另外一個(gè)CSD18532KCS MOS場(chǎng)效應(yīng)管代替續(xù)流二極管，兩個(gè)三極管可降低導(dǎo)通壓降，從而降低損耗。

3.1.1 開關(guān)頻率

降壓控制器LM5117芯片的開關(guān)頻率為50kHz至750kHz,為了降低開關(guān)損耗，工作頻率不宜過高，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)開關(guān)頻率采用200kHz。

3.1.2 功率參數(shù)

要求輸入電壓UIN在13.6V到17.6V之間可調(diào)，所

以設(shè)置UIN在13V到18V之間。由于U0=R/1KΩ，通過調(diào)節(jié)滑阻當(dāng)U0在1V到10V之間時(shí)，最大電流為3A。所以最大功率為30W。

3.1.3 電容

濾波電容C:

由公式（1）、（2）可得C=15μF同時(shí)，為了消除電容ESR效應(yīng)，此處采用了12μF, 10μF, 1μF和20nF多個(gè)電容串聯(lián)的方式來降低紋波。

3.1.4 電感

通過Buck電流臨界連續(xù)情況計(jì)算，Imin=0A，此時(shí)最小負(fù)載電流為I0min，負(fù)載臨界連續(xù)電流為IG。由計(jì)算公式得L=300μH。

4 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

4.1 測(cè)試方案

保持額定輸入電壓16V,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，多次測(cè)量電壓U0值，并記錄輸出電壓偏差|ΔU|,多次測(cè)量并記錄最大輸出電流值I0max，見表1。

4.2 測(cè)試結(jié)果及分析

表1 穩(wěn)壓的輸出電壓U0、電流I0max、及波峰峰值Upp

5 結(jié)論

本電路結(jié)構(gòu)輕巧，性能優(yōu)良，多個(gè)指標(biāo)均達(dá)到并超過了預(yù)期要求。保護(hù)電路完善，使用更安全。本電路尚存在不足之處，以后還需努力和改進(jìn)。

[1]鄭溢.一款降壓型直流—直流開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安電子科技大學(xué),2013.

[2]尹華,劉銳.PWM型DC/DC變換器過流/短路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)[J]. 微電子學(xué),2008,01：108-110+115.

[3]高連波,苗國(guó)強(qiáng),王豐貴.智能型多通道DC-DC變換器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013,22：152-155.

Design of Step - down DC Power Supply Based on LM5117P

Dai Shuailong，Qu Qiumeng, Wang Jiayu
(College of Electrical Engineering & Renewable, China Three Gorges University, Yichang Hubei, 443002)

Step-down DC switching power supply is a one-way DC-DC converter, which is designed to achieve a stable DC buck function. The system uses the synchronous buck controller LM5117P as the circuit control core, with synchronous Buck circuit as the main circuit of the buck, through the closed loop feedback design and the precise sampling of the chip itself, reducing the input voltage 16V down to 5V constant output voltage.

Buck circuit; DC-DC convert; LM5117P; Regulator