降壓型直流開關穩壓電源實驗裝置設計

仲鵬達, 朱 江, 章子健, 鄭懿敏, 杜月林

(南京郵電大學 自動化學院,江蘇 南京 210023)

通信作者:杜月林(1975—),男,山西原平,碩士,副研究員,研究方向為嵌入式系統控制,以及實驗教學與管理研究.

降壓型直流開關穩壓電源實驗裝置設計

仲鵬達, 朱 江, 章子健, 鄭懿敏, 杜月林

(南京郵電大學 自動化學院,江蘇 南京 210023)

以TI公司的同步降壓控制器LM5117為主芯片,配以CSD18532KCS MOS 場效應管作為驅動,輔以MC9S12XS128單片機控制構成一個開關穩壓電源。該系統具有過流保護、負載識別(漏電檢測)等功能,可以實現額定輸入電壓從13 V至18 V變化時輸出穩壓為5 V,輸出電流最大值達3.2 A。該電源具有效率高、抗干擾性強等特點。

開關電源； LM5117同步降壓控制器； 過流保護

降壓型直流開關穩壓電源具有體積小、重量輕、轉換效率高、控制精度高,速度快等特點,因而在電子、通信、能源、航空航天,軍事及家電領域應用非常廣泛。其中由PWM控制的降壓型DC/DC轉換器電路簡單穩定,是非常理想的電源結構。本文以TI公司的LM5117芯片為核心，搭建降壓控制電路,電路最終實現了電壓由16 V轉5 V、紋波小于50 mV、效率高達90%的轉換效果。

1 設計方案描述

LM5117是一款用于高壓或寬變化范圍輸入電源供電的降壓穩壓器應用的同步降壓控制器。該芯片可利用自適應死區時間控制來驅動外部高邊和低邊NMOS功率開關管,有輸入電壓前饋、逐周期電流限制、簡化環路補償、頻率同步等功能。RT 引腳允許通過一個電阻或同步至外部時鐘對開關頻率進行編程；故障保護功能包括逐周期和打嗝模式電流限制、熱關斷及遠程關斷功能,拉低 UVLO(欠壓鎖定)引腳即可實現；UVLO輸入可以在輸入電壓達到用戶選擇閾值時啟用穩壓器,拉低時可提供非常低的靜態關斷電流[1]。

方案采用比傳統Buck電路更為簡單的同步降壓控制器LM5117,其內部穩壓器的穩壓控制采集功能較為集中強大,使得總系統更簡單清晰。而在對負載識別功能的控制中采用MC9S12XS128單片機核心板,既降低了系統總質量,又保證了單片機控制功能的穩定實現。

本系統中,LM5117對穩壓降壓模塊輸入PWM波,經過穩壓降壓模塊實現DC—DC降壓穩壓變化并輸出,再將電流和電壓反饋給LM5117。如果輸出電流超過限定值,單片機會接收到主電路的過流檢測并進行過流保護。單片機還可以針對輸出負載識別電阻R的阻值確定輸出電壓。系統總框圖見圖1。

圖1 系統總框圖

整機電路原理圖見圖2。

2 理論分析與計算

2.1 降低紋波的方法

2.1.1 適當提高開關頻率

考慮到單片機的效率以及為減小開關管的損耗并得到可接受的高頻噪聲,經反復實驗,選擇開關頻率fSW= 248 kHz。RT電阻(內部振蕩器用RT引腳和AGND之間的電阻)會影響到振蕩器處于自由運行還是外部同步運行[2-5]。所以為設置理想的開關頻率fSW計算電阻值如下:

圖2 整機電路原理圖

2.1.2 選擇合適的輸出電感,實現LC濾波

為了平滑輸出紋波電壓,較高的紋波電流使用小尺寸的電感時輸出電容要承擔大負荷[6-12]。選擇紋波電流為3 A的40%,已知開關頻率、最大紋波電流、最大輸入電壓和標稱輸出電壓,濾波電感Lo電感值計算如下:

式中IPP為電感峰值電流。

Lo選擇的最接近標準值為10 μH,將該值代入再次計算IPP的值,計算如下:

2.2 DC—DC變換方法

2.2.1 選擇合適的輸出分壓器的RFB1和RFB2

該設計中,VOUT=5 V,RFB2選擇6.2 kΩ,RFB1選擇1.2 kΩ。

2.2.2 選擇合適的MOSFET 晶體管

MOSFET選用TI公司的N溝道MOSFET 晶體管CSD18532KCS。該MOSFET的漏源極電壓為60 V,閾值電壓為1.8 V,漏源導通電阻為3.3 mΩ[13-14]。

2.3 穩壓控制方法

圖3為斜坡發生器和電流限制電路。選擇合適的電流檢測電阻RS、斜坡電阻RRAMP和斜坡電容CRAMP,實現電流限制監測。

圖3 斜坡發生器和電流限制電路

該設計選擇系數K=1來控制次諧波振蕩、實現單周期阻尼,選擇所需輸出電流3 A 的130%。電流檢測電阻值RS計算如下:

電感電流斜坡信號是通過RRAMP和CRAMP仿真的。該設計中CRAMP值設置在 830 pF 。利用電感器可選擇檢測電阻和K系數,RRAMP值計算如下:

3 單元電路設計

3.1 輸入電路

輸入電路原理圖見圖4。直流輸入端采用16 V直流穩壓電源,在輸入端兩側并聯10 μF電解電容和100 nF陶瓷電容各1只,分別用于濾除低頻與高頻噪聲。用100 kΩ和15 kΩ電阻構成分壓電路,提供高于UVLO閾值的開啟電壓,開啟HO(高邊輸出引腳)、LO(低邊輸出引腳)驅動。

圖4 輸入電路原理圖

3.2 驅動電路

驅動電路原理圖見圖5，HO、LO分別接MOS晶體管的高邊和低邊,其中SW為降壓穩壓器的開關節點,高邊 MOS 晶體管的源端和低邊 MOS 的漏端通過一條短而低電感的路徑連接至自舉電容(即正反饋電容，用于抬高供電電壓)。

圖5 驅動電路原理圖

3.3 反饋電路

反饋電路原理圖見圖6，在Vout與GND之間利用6.2 kΩ與1.2 kΩ電阻構成分壓電路,將分得的電壓經FB端反饋到LM5117內部誤差放大器輸入端,在FB與COMP之間加上環路補償電路。

圖6 反饋電路原理圖

3.4 輸出電路

輸出電路原理圖見圖7，在輸出電路中串聯10 μH濾波電感,此電感要求可以承受較高電流值,同時并聯一濾波電容濾除噪聲毛刺。

圖7 輸出電路原理圖

3.5 過流檢測(保護)電路

本設計采用康銅絲電阻進行電流采樣,將采樣數據傳至單片機,當單片機檢測到電流值超過預定上限時,自動發送觸發信號,經驅動電路開啟MOS管,將SS腳直接拉低,關斷芯片輸出[15]。過流檢測(保護)電路框圖見圖8。

圖8 過流檢測(保護)電路框圖

4 測試方案與測試結果

4.1 測試方案及測試條件

使用高精度的數字毫伏表、模擬示波器、數字示波器、數字萬用表、指針式萬用表測量輸出電壓電流、紋波電壓等,通過測量輕載和滿載情況下的輸出電壓來測量負載調整率,通過測量輸入17.6 V和13.6 V時的輸出電壓，測量電壓調整率,計算損耗和效率。測試方案及測試條件如圖9所示。

圖9 測試方案及測試條件

4.2 測試結果及其完整性

4.2.1 額定輸入電壓下,輸出電壓UO的偏差

UO的偏差ΔUO計算如下:

|ΔUO| = |5V-UO|

額定輸入電壓為16 V,調節輸入電容、反饋端電位器以及輸出電感,記錄輸出電壓值,計算輸出電壓偏差,見表1。

表1 輸出電壓偏差

4.2.2 額定輸入電壓下,最大輸出電流

額定輸入電壓為16 V,調節輸入電容、反饋端電位器以及輸出電感,記錄輸出電流IO值,見表2。

表2 輸出電流

4.2.3 輸出噪聲紋波電壓峰峰值

額定輸入電壓為16 V，輸出電流為最大，調節PI參數、濾波,記錄輸出噪聲紋波電壓峰峰UOPP值，見表3。

表3 輸出噪聲紋波電壓峰峰值

4.2.4IO從滿載IOmax變到輕載0.2IOmax時的負載調整率Si

Si= |(UO輕載/UO滿載)- 1| × 100%

輸入電壓為16 V,輸出電壓設置為5 V的條件下,調節負載電阻使輸出電流變化,測量輸出電壓有UO輕載=5.0 V,UO滿載=5.2 V。故Si=3.8%。

4.2.5UIN變化到17.6 V和13.6 V,電壓調整率Si

輸入電壓調為16 V,輸出電壓設置為5 V,調節調壓器,測量輸出電壓,測得:UO17.6V=5.01 V,UO16V=5.0 V,UO13.6V=5.0 V,計算得SV=0.2%。

4.2.6 其他

UIN= 16V,IO=IOmax,調節輸出電感、開關頻率,得到效率η=90%。

過流保護功能:經測試本系統在電流增大至3.2 A時,輸出波形不再振蕩,電路停止工作。

負載識別功能:增加1個2端子端口,端口可外接電阻R(1 kΩ～10 kΩ)作為負載識別端口。電源根據通過測量端口識別電阻R=5 kΩ,確定輸出電壓為5 V。

5 結論

根據實驗測試數據,可以得出以下結論:

(1) 該電源可以實現輸入電壓從13 V至18 V變化時,輸出穩壓為5 V且輸出電流最大值能夠達到3.2 A。

(2) 該電源的輸出電壓能保持較高的穩定性。在額定輸入電壓下,輸出電壓偏差|ΔUO|≤100 mV,輸出噪聲紋波電壓峰峰值Uopp≤50 mV。

(3) 該電源具有良好的電壓調整率和負載調整率，電壓調整率為SV≤0.5%,負載調整率為Si≤5%。

(4) 該電源的轉換效率η=90%,比較理想。

(5) 該電源具有過流保護功能與負載識別功能，過流保護電流Ioth=3.2 A±0.1 A。

(6) 該電源重量僅為0.17 kg,便于攜帶使用。

(7) 改進措施:該方案對PCB的分布進行了相應的優化。如圖10所示,輸入電容靠近 NMOS功率開

關管放置,VIN端電容接至高邊NMOS漏極,接地端電容靠近連接電流檢測電阻接地線。低功率接地連線接至AGND引腳,CVCC接PGND引腳。CVIN和CVCC靠近IC,AGND和PGND接一起。這使得LM5117芯片具有裸露的散熱焊盤來降低功耗,裸露焊盤下增加的幾個通孔利于帶走IC熱量,過多空隙可降低散熱能力。

圖10 主控電路PCB布線圖

References)

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Design of experimental device for buck DC switch regulated power supply

Zhong Pengda, Zhu Jiang, Zhang Zijian, Zheng Yimin, Du Yuelin

(School of Automation, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023, China)

By using the synchronous buck controller LM5117 of TI Company as the main chip, and equipped with the CSD18532KCS MOSFET as an driver and an MC9S12XS128 MCU controller, the switch regulated power supply is set up. This system has the functions of over-current protection, the load identification (leakage detection), etc. It can realize that the output voltage is 5V and the maximum output current reaches 3.2A when the rated input voltage changes from 13V to 18V. The power supply has the advantages such as high efficiency, strong anti-interference, etc.

switch power supply; LM5117 synchronous buck controller; over-current protection

TN722.1

: A

: 1002-4956(2017)09-0095-05

2017-03-28

國家自然科學基金項目(61271240)；江蘇省高校實驗室研究會實驗室工作研究課題(2015SSG02)；南京郵電大學黨建與思想政治教育研究課題(XC216014)

仲鵬達(1996—),男,江蘇沐陽,本科生

E-mail:duyl@njupt.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.024