基于LM5117的降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源

王春柱

（火箭軍綜合訓(xùn)練基地學(xué)兵訓(xùn)練一隊(duì)，河北 唐山 064000）

引言

DC-DC變換器作為二次電源，有著體積小、質(zhì)量輕、效率高、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械、通信、汽車等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。以 LM5117為核心器件設(shè)計(jì)的電路，電路工作穩(wěn)定，效率高，輸出紋波小，降低了低電壓工作電路的整體損耗。LM5117應(yīng)用于升壓、降壓型低壓大功率直流穩(wěn)壓電源中，對(duì)汽車電子領(lǐng)域的發(fā)展有重要意義。

1 同步降壓電路設(shè)計(jì)

1.1 電路設(shè)計(jì)目標(biāo)和系統(tǒng)框圖

設(shè)計(jì)目標(biāo)為降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源。輸入電壓為 16 V，輸出電壓為5 V，輸出電流最大值為3 A，轉(zhuǎn)換效率為85%以上，輸出電壓紋波系數(shù)小于 50 mV。輸出電流 Io從滿載Iomax變到輕載0.2 Iomax時(shí)，負(fù)載調(diào)整率小于5%。

圖1 系統(tǒng)框圖

如圖1所示，開關(guān)電源電路由開關(guān)主電路、輸入輸出濾波電路、PWM波控制電路和電流電壓反饋電路構(gòu)成[2]。開關(guān)電路選用經(jīng)典的 Buck降壓電路模型，PWM 波控制電路由LM5117構(gòu)成，輸出濾波電路由π型濾波電路構(gòu)成。

1.2 主電路設(shè)計(jì)

圖2 主電路

如圖2所示，主電路部分由電容C1～C4、電感L1～L2、開關(guān)管Q1～Q2和采樣電阻R1構(gòu)成。其中C1、C2構(gòu)成輸入濾波電路，L1具有儲(chǔ)能和平波作用，C3、C4和L2構(gòu)成π型濾波電路，有利于減小輸出電壓紋波[3]。

1.3 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路設(shè)計(jì)如圖3所示，電路開關(guān)頻率由R11（即為RT電阻）編程設(shè)定，230 KHz時(shí)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)尺寸小、效率高，是折中方案。

當(dāng)開關(guān)頻率設(shè)定為230 KHz時(shí)，由開關(guān)頻率與RT電阻關(guān)系得到RT=21.6 K，RT選定了20 K的標(biāo)準(zhǔn)值。

電壓反饋是通過(guò)VR1和R10串聯(lián)構(gòu)成，實(shí)時(shí)采集輸出電壓到FB引腳，與LM5117芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓（0.8 V）比較調(diào)整輸出PWM寬度，使輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定值。

電流檢測(cè)反饋采用串聯(lián)采樣電阻的方法。R7電阻連接至電流檢測(cè)電阻的高邊，高邊電壓信號(hào)正比于電流大小，傳輸給 CS引腳經(jīng)放大器放大，后與誤差放大器電壓進(jìn)行比較，調(diào)整輸出脈沖寬度，達(dá)到控制輸出電流峰值的目的。

圖3 控制電路

1.4 電感設(shè)計(jì)

電感值由式(1)計(jì)算得到13 μH，這里電感取值為標(biāo)準(zhǔn)值10 μH。

式中：VOUT為標(biāo)稱輸出電壓；IPP(MAX)為最大紋波電流；fSW為開關(guān)頻率；VIN(MAX)為最大輸入電壓。

1.5 電流采樣電阻設(shè)計(jì)

為了獲得要求的輸出功率，電流采樣電阻 Rs阻值要選擇合適。阻值偏大將不能達(dá)到要求的輸出功率；阻值偏小將導(dǎo)致峰值電流過(guò)大，電路損耗大，還有可能損壞元器件。

式中：IOUT(MAX)為最大輸出電流能力，取3 A的130%；K為仿真正效率電感電流斜坡的RRAMP和CRAMP的關(guān)系系數(shù)，此處選擇 1，以控制次諧波振蕩和實(shí)現(xiàn)單周期阻尼；IPP為電感峰—峰紋波電流值。

由式(3)計(jì)算得到最小輸入電壓時(shí)電感峰—峰紋波電流值是1.37 A。

由式(4)計(jì)算得到采樣電阻的大小為9.3 mΩ，設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)際采用了10 mΩ的康銅絲。

2 測(cè)試結(jié)果

輸入電壓為16.0 V，輸出帶1.65 Ω負(fù)載時(shí)輸出電壓為5.02 V，輸入電流為1.12 A，此時(shí)電路效率為85.2%。負(fù)載變?yōu)?.3 Ω時(shí)，輸出電流為0.61 A，測(cè)試負(fù)載調(diào)整率為1%。

開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形如圖4所示，兩列波形互補(bǔ)，自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間。高邊驅(qū)動(dòng)波形為第一條藍(lán)色波形所示，低邊驅(qū)動(dòng)波形為第二條黃色波形所示，由于自舉電路作用，高邊驅(qū)動(dòng)波形電壓大于低邊驅(qū)動(dòng)電壓。

圖4 驅(qū)動(dòng)波形

3 結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)和波形可以看出此電路設(shè)計(jì)的輸出電壓、電源效率、負(fù)載調(diào)整率、電壓紋波等均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。以LM5117為核心器件的開關(guān)穩(wěn)壓電源工作穩(wěn)定、效率高、紋波小，可廣泛應(yīng)用于汽車電子領(lǐng)域。