基于高效低紋波的車載降壓變換器設(shè)計(jì)

遼寧工業(yè)大學(xué) 楊盛鈺 寧 武

基于高效低紋波的車載降壓變換器設(shè)計(jì)

遼寧工業(yè)大學(xué) 楊盛鈺 寧 武

以汽車電源為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)車載電源轉(zhuǎn)換器，利用同步降壓控制器芯片LM5117和高性能MOS管CSD18532KCS為核心器件，完成了基于降壓型DC/DC變換器的直流開關(guān)穩(wěn)壓電源，代替?zhèn)鹘y(tǒng)車載電源轉(zhuǎn)換器，具有高效率的電源轉(zhuǎn)換和低紋波輸出，并有著過流保護(hù)的功能。

降壓變換器；車載電源；過流保護(hù)；高效率；低紋波

0 引言

伴隨著智能手機(jī)的出現(xiàn)，汽車上利用智能手機(jī)代替普通導(dǎo)航的現(xiàn)象已經(jīng)普遍。但是智能手機(jī)的耗電量大而且普通車載電源轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率低和紋波大的問題很容易造成智能手機(jī)以及其他車載電子設(shè)備的損壞，但是基于高效低紋波的車載降壓變換器便可以很好的解決此類問題。此車載降壓變換器對于傳統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換器而言具有轉(zhuǎn)換電壓信號頻率高，電壓輸出精度高，體積小，成本低等優(yōu)勢，可以很好的滿足車載電源的需求，具有廣闊的發(fā)展前景。

1 整體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要由降壓型直流開關(guān)電源模塊、過流保護(hù)模塊兩部分部分構(gòu)成。降壓控制器與場效應(yīng)管構(gòu)成直流開關(guān)電源模塊，利用降壓芯片內(nèi)置的過流保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)作用。降壓直流穩(wěn)壓模塊選擇適用于各種輸入電源的降壓型穩(wěn)壓器且同步降壓的LM5117芯片，采用具有固有的輸入電壓前饋、逐周期電流限制和簡化環(huán)路補(bǔ)償?shù)墓δ艿碾娏髂Ｊ娇刂疲岣咿D(zhuǎn)換效率。

圖1 電路原理圖

2 理論分析

2.1 DC-DC變換方法

通過控制MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)節(jié)。將低邊MOS管和采樣電阻串聯(lián)實(shí)現(xiàn)對輸出電流的采樣并放大，使CM引腳的電壓在1.25V左右波動，并將其接至VCCDIS端。若VCCDIS大于1.25V，內(nèi)部VCC穩(wěn)壓器被禁用，從而實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)功能。采用同步降壓方式進(jìn)行二極管仿真，可以提高輸出效率。電感續(xù)流輸出接電容實(shí)現(xiàn)平滑輸出電壓紋波的功能。輸出端反饋接LM5117的FB實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)電壓0.8V的控制，同時環(huán)路補(bǔ)償元件能夠消除ESR零點(diǎn)和負(fù)載極點(diǎn)的影響。

2.2 穩(wěn)壓控制方法

LM5117包含一個內(nèi)部高電壓偏置器，為PWM控制器和NMOS柵極驅(qū)動器提供了VCC偏置電源。當(dāng)輸入電壓低于VCC設(shè)定點(diǎn)電平時，VCC輸出可用一個小壓降來跟蹤VIN引腳。

2.3 電流限制、過流保護(hù)電路

將LM5117的CM端輸出的直接連到VCCDIS端。如果VCCDIS大于1.25V，內(nèi)部VCC穩(wěn)壓器被禁用，當(dāng)此引腳浮置時，可啟用VCC穩(wěn)壓器。LM5117提供的平均輸出電流信息有助于實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)功能。CM輸出的平均值可以用以下方法計(jì)算：

3 電路設(shè)計(jì)原理圖與器件選擇（見圖1）

（1）輸出電感Lo的選擇

最大電感紋波電流出現(xiàn)在最大輸入電壓時。電感值可以用以下公式計(jì)算：

（2）電源開關(guān)管QH和QL的選擇

功率NMOS器件的損耗可以分解為導(dǎo)通損耗、柵極充電損耗和開關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗PDC約為：

（3）電流檢測電阻RS的選擇

電流檢測電阻的計(jì)算表達(dá)式為：

（4）UVLO分壓器RUV2、RUV1和CFT的選擇

RUV1、RUV2 的值可以用下式計(jì)算：

4 紋波抑制及實(shí)物圖

采用低ESR或多個電解電容并聯(lián)來降低ESR。采用可消除濾波電感中的噪聲并沒有任何老化問題的鐵硅鋁電感，繞制電感時要單向分段繞制使寄生電容量小。采用單點(diǎn)接地，減少公共阻抗耦合問題。