一種Buck型DC?DC電源設計與仿真

徐志國

摘 要： Buck型DC?DC電源在現代便攜式電子系統中應用廣泛，研究了Buck型變換器的工作原理，介紹了采用LM3150為電源芯片的BucK型DC?DC電源的設計。借助于WEBENCH電源設計工具，選擇了合適的元件參數，實現效率、成本、面積和開關頻率的優化。通過仿真表明該電源穩定性好，轉換效率高，可以廣泛應用于便攜設備中。

關鍵詞： LM3150； DC?DC； Buck； 優化； 仿真

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）19?0150?03

Design and simulation of a buck?type DC?DC power supply

XU Zhi?guo

（Jingling Institute of Technology， Nanjing 211169， China）

Abstract： Buck DC?DC power supply is widely used in modern portable electronic system. The working principle of Buck converter is studied. Design of Buck type DC?DC switching power supply with LM3150 as the power chip is introduced. With the help of WEBENCH power supply design tools， the parameters suitable for the components were chosen， and efficiency， cost， size and switching frequency were optimized. The simulation shows that the power supply has good stability， high conversion efficiency， and can be widely used in portable devices.

Keywords： LM3150； DC?DC； Buck； optimization； simulation

0 引 言

現代便攜式電子系統中所用的芯片越來越多，各種各樣的芯片需要提供多種類型的直流供電電壓和電流。便攜式系統的供電電源通常由電池提供，系統中多種芯片對電源的電壓、電流以及性能要求不同，芯片的增加同時也引起系統功耗的增加，選擇合適的芯片設計系統的DC?DC電源是電子系統設計中面臨的重要問題。Buck型DC?DC電源電路是開關電源電路其中一種，屬于降壓型電路，其作用是以PWM技術為主，通過改變脈沖的占空比調節輸出電壓到額定值后輸出給負載。借助TI的WEBENCH工具可以根據電壓和電流情況并考慮性能、功耗和體積等因素在眾多的電源芯片中選型并實現外圍器件參數的優化。

1 Buck型DC?DC電路原理

Buck型DC?DC開關電源電路的基本原理結構如圖1所示。

Buck變換器主要包括：續流二極管D1，開關管M1，電感[L1，]電容[C1]和反饋環路。如圖1所示，Buck變換器利用反饋環路進行閉環控制來實現輸出電壓穩定、滿足性能指標的要求。具體的工作過程是：輸出電壓采樣與電壓基準送到誤差放大器，其輸出與調制波進行交截來控制占空比，經驅動電路輸出來控制開關管M1的通斷，從而控制輸出電壓的穩定，同時該電路還具有一定的抑制輸入和負載擾動的能力。

2 LM3150簡介

LM3150是一款適合便攜式應用的降壓型DC?DC轉換器。6～42 V的寬工作輸入電壓范圍，輸出電壓最低可調至0.6 V，可調節開關頻率高達1 MHz。LM3150控制器采用固定導通時間（COT）結構，具有特快的瞬態響應，無需外置環路補償，有助于減少外置元件數和降低設計復雜性；可使用低等效串聯電阻（ESR）輸出電容器，從而降低了整體設計方案尺寸和輸出電壓紋波。LM3150采用eTSSOP?14封裝，其內部結構如圖2所示。

3 LM3150 Buck型DC?DC電源設計

開關電源設計的重要參數是效率、體積和成本，這幾個方面不可能同時到達最優，而與這些參數緊密相關的因素主要是：開關頻率、電感、MOS管損耗。WEBENCH Design Environments 是一款獨特而強大的軟件工具，能在很短的幾秒內提供定時照明、電源、時鐘、濾波等設計，WEBENCH簡單易用的工具能幫助用戶創建、模擬并優化符合獨特規格的設計。借助于WEBENCH軟件可以完成LM3150 Buck型DC?DC電源芯片外圍電路的優化選擇。

基于LM3150設計的Buck型DC?DC電源電路如圖3所示。該電路能在輸入直流電壓范圍為10～15 V， 輸出3.3 V，負載電流1 A，效率優化并可達到90%以上。

3.1 Buck變換器的效率

Buck變換器的轉換效率主要和開關元件M1及二極管D1的功耗有關， M1和D1的功耗主要分為兩部分：M1和D1處于穩定導通狀態時正向導通壓降產生的功耗即穩態功耗[PD；]M1在導通與截止狀態轉換時產生的功耗，稱為瞬時功耗[PA。]在開關電源中開關管MOS管的開關損耗最大，假設[Ton=Toff=T1，]則一個周期內開關元件M1瞬時消耗的能量為：

[EA=20T1i（t）?v（t）dt=20T1IoTontVin1-tTondt=13VinIoT1] （1）

則一個周期內M1瞬時功耗為：

[PA=EAT=13TVinIoT1] （2）

因此， Buck變換器的效率為：

[ηA=PoPo+PD+PA=VoIoVoIo+1×Io+13TVinIoT1=VoVo+1+13TVinT1] （3）

從效率表達式可看出，Buck變換器的效率與開關的工作頻率有關，開關頻率越高，M1的瞬態功耗就越大，效率也就越低。同時，由于開關元件M1功耗增加，需要較大管芯面積來降低M1的工作溫度。借助于WEBENCH電源設計工具可以對DC?DC電源電路設計的效率、成本、面積和開關頻率進行優化，如表1所示是WEBENCH對LM3150應用電路在最高效率、最小面積和中間方案的對比結果。

如表1所示，效率最高的方案的開關頻率最低但占用面積最多，最小面積方案效率最低但開關頻率最高，本設計選擇中間方案，面積和效率均折中。

3.2 Buck變換器電感的選擇

電感在開關電源中擔任儲能元件的角色，選擇Buck變換器電感的主要依據是變換器輸出電流的大小。設Buck變換器的最大額定輸出電流為[Iomax，]最小額定輸出電流為[Iomin。]當Buck變換器工作在CCM模式（Continuous Conduction Mode，電感電流連續工作模式）時開關管的導通時間[Ton]為：

[Ton=VoVin1f] （4）

式中：[f]為開關頻率。當輸出電壓[Vo，]輸入電壓[Vin]和開關頻率[f]不變時，導通時間[Ton]保持不變。CCM模式時的最小輸出電流為：

[Iomin=12Δi] （5）

又因為電感電流的增量為：

[ΔiL1=0TonVin-VoL1dt=Vin-VoL1Ton] （6）

聯立式（4）～式（6）得Buck變換器電感值為：

[L1=Vin-Vo2Iomin?VoVin?1f=Vin-VoVo2IominVinf] （7）

由表達式可見Buck變換器的電感值和開關頻率成反比，充電時電感將電流轉換為電磁能，放電時將電磁能轉換為電流，升高開關頻率可以有效地降低電感的體積，但開關頻率又不能太高，否則電感磁芯的高頻損耗將增大。借助于WEBENCH電源設計工具得到與表1的三種方案對應的三種不同的電感，如表2所示。

由表1和表2的對比可得，最小面積方案的開關頻率最高，因此得到的電感量較低，直流電阻也較小；最高效率方案的開關頻率最低，因此電感值最大，電感的直流電阻最小，功率損耗也最小，但因開關頻率低導致電感占用面積最大，成本也最高。本設計選擇中間方案，開關頻率為320 kHz，對應的電感值為18 μH，電感的直流電阻、面積和功率損耗等參數較適中。

4 仿真與測試

經過對比選擇中間方案，運用WEBENCH軟件對LM3150 Buck型DC?DC電路進行仿真，仿真圖如圖4所示。

電感損耗波形如圖5所示，橫向是輸出電流，縱向是損耗功率，三種顏色表示不同的輸入電壓。電感是無源元件，功率電感一般是帶磁性的線圈，因此電感存在電流損耗和磁損耗。磁損耗與開關頻率有關，不隨輸入電壓變化，線圈的電流損耗與電流成正比，因此圖中電感損耗三條曲線重疊在一起。

輸出效率隨電流及輸入電壓[Vin]的變化如圖6所示，圖中[x]軸是輸出電流，[y]軸是電源的總效率，圖中3條曲線分別是10 V，12.5 V和15 V三個輸入電壓下的仿真結果。從圖中可看出電源效率隨輸入電壓增加總體下降。

測試及仿真結果表明，基于LM3150設計的Buck型開關電源電路能夠得到穩定的3.3 V電壓，輸出電流2 A，電源效率可以達到93%以上，滿足系統的設計要求。

5 結 論

本文通過對Buck型DC?DC開關電源電路的基本原理的分析，借助于TI的WEBENCH電源設計工具完成基于LM3150 Buck型DC?DC電路的外圍元件的參數選擇，實現效率、成本、面積和開關頻率的優化選擇。通過仿真表明該電源轉換效率高、帶負載能力強，可以廣泛應用于便攜設備中。

參考文獻

[1] 胡國棟.德州儀器高性能模擬器件高校應用指南：信號鏈與電源[M].上海：德州儀器半導體技術（上海）有限公司，2013.

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[4] 林國漢.一種新型高效率BOOST變換器的設計[J].通信電源技術，2008，25（3）：39?41.

[5] 楊恒.開關電源典型設計實例精選[M].北京：中國電力出版社，2007.

[6] 江超，聞長江，王雨曦，等.一種基于TL494 Boost型DC?DC電源設計[J].通信電源技術，2009，26（4）：39?41.

[7] 周習祥，楊賽良. Buck DC/DC變換器最優化設計[J].電子設計工程，2010（5）：168?171.

[8] 楊亞澤，余明楊.Buck變換器的建模和仿真研究[J].大眾科技，2010（6）：37?38.

[9] 葛茂艷，謝利理，吳喜華.非理想Buck變換器的建模及仿真[J].計算機仿真，2010（4）：333?354.

[10] 朱念.Buck型直流變換器的研究及其仿真[J].中國西部科技，2009（29）：22?23.

因此， Buck變換器的效率為：

[ηA=PoPo+PD+PA=VoIoVoIo+1×Io+13TVinIoT1=VoVo+1+13TVinT1] （3）

從效率表達式可看出，Buck變換器的效率與開關的工作頻率有關，開關頻率越高，M1的瞬態功耗就越大，效率也就越低。同時，由于開關元件M1功耗增加，需要較大管芯面積來降低M1的工作溫度。借助于WEBENCH電源設計工具可以對DC?DC電源電路設計的效率、成本、面積和開關頻率進行優化，如表1所示是WEBENCH對LM3150應用電路在最高效率、最小面積和中間方案的對比結果。

如表1所示，效率最高的方案的開關頻率最低但占用面積最多，最小面積方案效率最低但開關頻率最高，本設計選擇中間方案，面積和效率均折中。

3.2 Buck變換器電感的選擇

電感在開關電源中擔任儲能元件的角色，選擇Buck變換器電感的主要依據是變換器輸出電流的大小。設Buck變換器的最大額定輸出電流為[Iomax，]最小額定輸出電流為[Iomin。]當Buck變換器工作在CCM模式（Continuous Conduction Mode，電感電流連續工作模式）時開關管的導通時間[Ton]為：

[Ton=VoVin1f] （4）

式中：[f]為開關頻率。當輸出電壓[Vo，]輸入電壓[Vin]和開關頻率[f]不變時，導通時間[Ton]保持不變。CCM模式時的最小輸出電流為：

[Iomin=12Δi] （5）

又因為電感電流的增量為：

[ΔiL1=0TonVin-VoL1dt=Vin-VoL1Ton] （6）

聯立式（4）～式（6）得Buck變換器電感值為：

[L1=Vin-Vo2Iomin?VoVin?1f=Vin-VoVo2IominVinf] （7）

由表達式可見Buck變換器的電感值和開關頻率成反比，充電時電感將電流轉換為電磁能，放電時將電磁能轉換為電流，升高開關頻率可以有效地降低電感的體積，但開關頻率又不能太高，否則電感磁芯的高頻損耗將增大。借助于WEBENCH電源設計工具得到與表1的三種方案對應的三種不同的電感，如表2所示。

由表1和表2的對比可得，最小面積方案的開關頻率最高，因此得到的電感量較低，直流電阻也較小；最高效率方案的開關頻率最低，因此電感值最大，電感的直流電阻最小，功率損耗也最小，但因開關頻率低導致電感占用面積最大，成本也最高。本設計選擇中間方案，開關頻率為320 kHz，對應的電感值為18 μH，電感的直流電阻、面積和功率損耗等參數較適中。

4 仿真與測試

經過對比選擇中間方案，運用WEBENCH軟件對LM3150 Buck型DC?DC電路進行仿真，仿真圖如圖4所示。

電感損耗波形如圖5所示，橫向是輸出電流，縱向是損耗功率，三種顏色表示不同的輸入電壓。電感是無源元件，功率電感一般是帶磁性的線圈，因此電感存在電流損耗和磁損耗。磁損耗與開關頻率有關，不隨輸入電壓變化，線圈的電流損耗與電流成正比，因此圖中電感損耗三條曲線重疊在一起。

輸出效率隨電流及輸入電壓[Vin]的變化如圖6所示，圖中[x]軸是輸出電流，[y]軸是電源的總效率，圖中3條曲線分別是10 V，12.5 V和15 V三個輸入電壓下的仿真結果。從圖中可看出電源效率隨輸入電壓增加總體下降。

測試及仿真結果表明，基于LM3150設計的Buck型開關電源電路能夠得到穩定的3.3 V電壓，輸出電流2 A，電源效率可以達到93%以上，滿足系統的設計要求。

5 結 論

本文通過對Buck型DC?DC開關電源電路的基本原理的分析，借助于TI的WEBENCH電源設計工具完成基于LM3150 Buck型DC?DC電路的外圍元件的參數選擇，實現效率、成本、面積和開關頻率的優化選擇。通過仿真表明該電源轉換效率高、帶負載能力強，可以廣泛應用于便攜設備中。

參考文獻

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[10] 朱念.Buck型直流變換器的研究及其仿真[J].中國西部科技，2009（29）：22?23.

因此， Buck變換器的效率為：

[ηA=PoPo+PD+PA=VoIoVoIo+1×Io+13TVinIoT1=VoVo+1+13TVinT1] （3）

從效率表達式可看出，Buck變換器的效率與開關的工作頻率有關，開關頻率越高，M1的瞬態功耗就越大，效率也就越低。同時，由于開關元件M1功耗增加，需要較大管芯面積來降低M1的工作溫度。借助于WEBENCH電源設計工具可以對DC?DC電源電路設計的效率、成本、面積和開關頻率進行優化，如表1所示是WEBENCH對LM3150應用電路在最高效率、最小面積和中間方案的對比結果。

如表1所示，效率最高的方案的開關頻率最低但占用面積最多，最小面積方案效率最低但開關頻率最高，本設計選擇中間方案，面積和效率均折中。

3.2 Buck變換器電感的選擇

電感在開關電源中擔任儲能元件的角色，選擇Buck變換器電感的主要依據是變換器輸出電流的大小。設Buck變換器的最大額定輸出電流為[Iomax，]最小額定輸出電流為[Iomin。]當Buck變換器工作在CCM模式（Continuous Conduction Mode，電感電流連續工作模式）時開關管的導通時間[Ton]為：

[Ton=VoVin1f] （4）

式中：[f]為開關頻率。當輸出電壓[Vo，]輸入電壓[Vin]和開關頻率[f]不變時，導通時間[Ton]保持不變。CCM模式時的最小輸出電流為：

[Iomin=12Δi] （5）

又因為電感電流的增量為：

[ΔiL1=0TonVin-VoL1dt=Vin-VoL1Ton] （6）

聯立式（4）～式（6）得Buck變換器電感值為：

[L1=Vin-Vo2Iomin?VoVin?1f=Vin-VoVo2IominVinf] （7）

由表達式可見Buck變換器的電感值和開關頻率成反比，充電時電感將電流轉換為電磁能，放電時將電磁能轉換為電流，升高開關頻率可以有效地降低電感的體積，但開關頻率又不能太高，否則電感磁芯的高頻損耗將增大。借助于WEBENCH電源設計工具得到與表1的三種方案對應的三種不同的電感，如表2所示。

由表1和表2的對比可得，最小面積方案的開關頻率最高，因此得到的電感量較低，直流電阻也較小；最高效率方案的開關頻率最低，因此電感值最大，電感的直流電阻最小，功率損耗也最小，但因開關頻率低導致電感占用面積最大，成本也最高。本設計選擇中間方案，開關頻率為320 kHz，對應的電感值為18 μH，電感的直流電阻、面積和功率損耗等參數較適中。

4 仿真與測試

經過對比選擇中間方案，運用WEBENCH軟件對LM3150 Buck型DC?DC電路進行仿真，仿真圖如圖4所示。

電感損耗波形如圖5所示，橫向是輸出電流，縱向是損耗功率，三種顏色表示不同的輸入電壓。電感是無源元件，功率電感一般是帶磁性的線圈，因此電感存在電流損耗和磁損耗。磁損耗與開關頻率有關，不隨輸入電壓變化，線圈的電流損耗與電流成正比，因此圖中電感損耗三條曲線重疊在一起。

輸出效率隨電流及輸入電壓[Vin]的變化如圖6所示，圖中[x]軸是輸出電流，[y]軸是電源的總效率，圖中3條曲線分別是10 V，12.5 V和15 V三個輸入電壓下的仿真結果。從圖中可看出電源效率隨輸入電壓增加總體下降。

測試及仿真結果表明，基于LM3150設計的Buck型開關電源電路能夠得到穩定的3.3 V電壓，輸出電流2 A，電源效率可以達到93%以上，滿足系統的設計要求。

5 結 論

本文通過對Buck型DC?DC開關電源電路的基本原理的分析，借助于TI的WEBENCH電源設計工具完成基于LM3150 Buck型DC?DC電路的外圍元件的參數選擇，實現效率、成本、面積和開關頻率的優化選擇。通過仿真表明該電源轉換效率高、帶負載能力強，可以廣泛應用于便攜設備中。

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[10] 朱念.Buck型直流變換器的研究及其仿真[J].中國西部科技，2009（29）：22?23.