具有負載識別功能的D C-D C直流穩壓電源的設計

成都理工大學信息科學與技術學院 干 娜 趙 敏 魏子萌

具有負載識別功能的D C-D C直流穩壓電源的設計

成都理工大學信息科學與技術學院 干 娜 趙 敏 魏子萌

本系統介紹了一種DC-DC Buck同步整流變換器的基本原理和實現方法。通過LM5117芯片產生PWM信號驅動MOS管，利用反饋網絡控制PWM的占空比，對輸出電壓進行調整，使系統實現穩壓輸出。當電流超過3．2A時，單片機輸出信號給LM5117，使其啟動保護機制關閉輸出，從而實現過流保護。在恒壓模式下輸出穩定的5V電壓，滿載下效率高達91．6%；負載識別模式下，根據所接入的元件阻值調整系統的輸出電壓。

LM5117；負載識別；低壓大電流；同步整流

0 引言

本文提出一種具有負載識別功能的DC-DC直流穩壓電源系統的設計與實現，在保證開關電源紋波、效率、重量、輸出穩定度、負載穩定度等性能指標處于優良的情況下，使其具有負載識別功能，由按鍵實現恒壓與負載識別模式的切換。

1 系統方案設計

本系統由硬件部分和控制部分組成，系統框圖如圖1所示。

硬件部分主要由LM5117及其外圍電路、自舉電路、MOS管驅動電路、電流檢測電路、負載識別電路構成，采用LM5117同步降壓芯片產生PWM波控制MOS場效應管的通斷來驅動DC-DC模塊，調節輸出電壓的高低達到恒壓輸出的目的；利用NE5532運放搭建恒流源和電壓調理電路，實現負載識別。具體實現方式為：輸出信號通過電阻精確分壓送到LM5117的反饋端FB腳，經過反饋補償和斜波補償，達到穩定的輸出電壓、較小的負載調整率和紋波的目的；通過按鍵開關使系統在恒壓和負載識別模式之間切換，即恒壓與恒流模式的切換。

控制部分主要由單片機TM4C123G、OLED和ACS712電流檢測電路構成，完成過流保護和電流電壓的顯示。過流保護是通過ACS712檢測電流(由電壓反映)，單片機采樣，當達到動作電流3.2A時，輸出低電平給LM5117的UVLO引腳，從而關閉輸出。顯示由OLED液晶屏完成，實現電流電壓的顯示。

2 硬件部分電路的設計

2.1 L M5 1 1 7主要外圍電路的設計

參考LM5117數據手冊，根據實際情況，外圍電路的設置如下：

⑴開關頻率的確定：開關頻率和MOS管的功耗有很大的關系，頻率越高，產生的損耗越大。LM5117允許輸出的最小頻率是50kHz，但此時電路的穩定性較差，本系統選擇100kHz作為開關頻率，在功耗和輸出脈動兩者之間折中，得到較穩定的輸出。

⑵輸出電感最大電感紋波電流出現在最大輸入電壓時。通常情況下，20%至40%的滿載電流是在電感磁芯損耗和銅損之間一個很好的折中方案。較高的紋波電流可以使用較小尺寸的電感器，但為了平滑輸出的紋波電壓，輸出電容要承擔更大的負荷。

2.2 MO S管驅動電路

從芯片上HO到MOS管柵極之間，有一段路程，一旦設計的路程較長，電路中的電感效應會加大，容易在PWM上升的和下降時產生一個震蕩[5]，因此需要串接一個電阻，起到過阻尼的作用，以減緩MOS上升時的沖擊。但是如果加的電阻過大，會造成上升時間過長，當上MOS管還沒完全關閉時，下MOS管已經完全打開，此時電源與地短接，極易燒MOS管。加一個反向二極管，起到快速放電的作用，使MOS管的結電容快速放電，MOS管快速關閉。

2.3 負載識別電路

負載識別其實就是制作一個1mA的恒流源，通過電壓的采集，來判斷電阻的大小，1V電壓對應標準1KΩ的電阻。其中R1為需要識別的電阻，第二級運放輸出接到LM5117的FB引腳，從而實現負載的識別。

3 控制部分電路的設計

單片機部分主要完成的功能為AD電壓采集和電壓電流的顯示。AD采樣使用TM4C123G內部自帶的12位ADC和內部高精度參考電源采集電路和電流數據，由于采集到的數據會有一定的波動，這個波動主要來自電路本身和芯片的供電電源不準確[15]。在電路上面，采用電容濾除一定的波動；在程序上，采用中位值平均濾波法出去干擾值。顯示輸出采用的是OLED，相比于平常使用的LCD，由于OLED不需要背光，而且利用LED發光，顯示清晰，功耗低，適合本系統的使用。

4 系統測試分析

測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。

測試儀器：數字示波器，6位半數字萬用表。

根據測試數據，可以得出結論：額定輸入電壓下，已測最大輸出電流為3.125A，大于3A，說明電路能承受大電流。輸出噪聲紋波電壓峰峰值為59.26mV，由于測試時示波器探頭耦合了一部分尖峰噪聲，導致測量偏大，從示波器上看，主體紋波在50mV以內。負載調整率為1.05%，說明整個電路的穩定性好，不易受到外部的干擾。滿載時的效率為91.6%。說明該電路的效率極高，因為輸入電源還要給輔助電源供電。同時系統具備3.2A過流保護功能。

5 結論

根據LM5117設計的DC-DC同步整流電路系統，電源滿載效率高達91.6%，最大電流大于3A，負載調整率為1.05%，紋波峰峰值主體在50mV以內。同時附加顯示屏顯示輸出電流以及電壓，方便使用，整個系統的重量為180g。最后通過改進測試方法、增大輸出電容等方法，紋波得到了有效的控制，峰峰值主體在50mv以內。本系統的各項指標，具有高性能、高效率、小質量的特點。

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