高精密、高性價比雙路穩(wěn)壓電源的研制

宋志杰+商振翔+毛君龍

【摘 要】采用同步降壓控制器LM5119芯片和貼片式低損耗MOS場效應(yīng)管及正激拓撲設(shè)計而成的輸出低電壓、大電流DC/DC降壓型直流雙路穩(wěn)壓開關(guān)電源。由濾波電路、同步控制電路、DC/DC Buck電路組成，濾波電路采用并聯(lián)電容的方式降低紋波電壓。經(jīng)測試，本電源的效率大于92%，紋波系數(shù)0.063%-0.238%，負載效應(yīng)0.0889%，源效應(yīng)0.0056%-0.011%。各項性能指標均優(yōu)于市售產(chǎn)品水平。

【關(guān)鍵詞】同步降壓；降壓控制器；場效應(yīng)管

【Abstract】A low voltage， high current Buck DC/ DC switching power supply with a synchronous buck controller LM5119 core and a low loss MOSFET and a forward topology is designed. It is composed of a filter circuit， a synchronous control circuit and a DC/DC Buck circuit. The filter circuit uses the parallel capacitor to reduce the ripple voltage. After testing， the efficiency of the power supply is greater than 92%， the ripple factor 0.063%-0.238%， the load effect of 0.0889%， the source effect 0.0056%-0.011%. The performance indicators are better than the marketed product level.

【Key words】Synchronous Buck； Buck Controller； FET

0 引言

隨著開關(guān)電源在計算機、通信、航空航天、儀器儀表及家用電器等方面的廣泛應(yīng)用，人們對其需求量日益增長，并且對電源的效率、體積、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。開關(guān)電源以其效率高、體積小、重量輕等優(yōu)勢在很多方面逐步取代了效率低、又笨重的線性電源。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速發(fā)展，將開關(guān)電源的工作頻率提高到相當高的水平，使其具有高穩(wěn)定性和高性價比等特性。開關(guān)電源技術(shù)的主要用途之一是為信息產(chǎn)業(yè)服務(wù)。信息技術(shù)的發(fā)展對電源技術(shù)又提出了更高的要求，從而不斷促進了開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展。

1 研究目的

現(xiàn)在，市場上的高精密開關(guān)電源普遍價格較高，一般均在數(shù)百及千元以上，而且性能指標并不算很高，且性能指標更高的價格昂貴。我們希望可以設(shè)計出一款成本較低、各方面性能可以和市場性能較高的產(chǎn)品相媲美的一款穩(wěn)壓電源，以借此機會來鍛煉一下自己的動手能力，將自己所學(xué)到的知識運用到生產(chǎn)實踐中。

2 方案論證

2.1 PWM控制方案

方案一：采用單片機產(chǎn)生PWM

單片機編程產(chǎn)生的方波信號，易于調(diào)節(jié)、紋波小、抗干擾能力強。但在完成相應(yīng)要求的同時，因51單片機資源有限，在控制中需要用到PWM調(diào)制和A/D采樣，用51單片機產(chǎn)生高頻的PWM比較困難，而且會造成程序不穩(wěn)定，況且A/D轉(zhuǎn)換還需要外部器件，成本也較高。

方案二：采用TL494產(chǎn)生PWM

TL494是一個固定頻率的脈沖寬度調(diào)節(jié)電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進行調(diào)節(jié)。但電路較復(fù)雜，搭建困難。

方案三：采用LM5119內(nèi)部電路產(chǎn)生PWM

LM5119 是一款雙同步降壓控制器，適用于高電壓或各種輸入電源的降壓型穩(wěn)壓器應(yīng)用。其控制方法基于采用仿真電流斜坡的電流模式控制。電流模式控制具有固有的輸入電壓前饋、逐周期電流限制和簡化環(huán)路補償?shù)墓δ堋Ｊ褂梅抡婵刂菩逼驴山档兔}寬調(diào)制電路對噪聲的敏感度，有助于實現(xiàn)高輸入電壓應(yīng)用所必需的極小占空比的可靠控制。LM5119 的工作頻率可以在 50 kHz 至 750 kHz 范圍內(nèi)設(shè)定。LM5119 可利用自適應(yīng)死區(qū)時間控制來驅(qū)動外部高邊和低邊 NMOS 功率開關(guān)管。用戶可選的二極管仿真模式可實現(xiàn)非連續(xù)模式操作，提高輕負載條件下的效率。具有自動切換外部偏壓功能的高電壓偏置穩(wěn)壓器可進一步提高效率。其他功能包括熱關(guān)斷、頻率同步、打嗝 （hiccup） 模式電流限制和可調(diào)輸入欠壓鎖定。該器件采用有裸露芯片連接焊盤的功率增強型無引線 LLP-32 封裝，以幫助散熱[1]。

采用LM5119內(nèi)部電路產(chǎn)生PWM的優(yōu)點是電路穩(wěn)定性強，定時電阻Rt和AGND引腳之間連接的外部電阻可設(shè)定LM5119的開關(guān)頻率，Rt可同步內(nèi)部振蕩器至外部時鐘，使振蕩器產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波。

通過比較上述三種方案及結(jié)合設(shè)計要求，可以看出方案三明顯優(yōu)于其他方案，所以采用方案三進行設(shè)計制作。

2.2 主回路拓撲方案

DC/DC主回路拓撲采用半橋Buck電路，通過LM5119的HO和LO端輸出的PWM控制2個MOS管實現(xiàn)交替導(dǎo)通，通過電感Lo和電容Chb的充放電實現(xiàn)降壓。減小了原邊開關(guān)管的電壓壓力，電路結(jié)構(gòu)簡單，可適用較高頻率電路。

3 產(chǎn)品（作品）設(shè)計與制作

3.1 輸入輸出電壓設(shè)定

輸入電壓范圍設(shè)定為12-20V，中心工作電壓16V。輸出設(shè)計為兩路：一路輸出9V、5A；另一路輸出5V、9A。通過對芯片使能端的設(shè)置，可以實現(xiàn)任一路輸出，也可以同時輸出，并且兩路可以各自獨立工作，互不干擾。

3.2 濾波電容選用

（1）輸入電容Cin：經(jīng)過不斷實驗嘗試，我們選擇了6個2.2uF的陶瓷電容并聯(lián)，實現(xiàn)梯級濾波。

（2） VIN濾波器Cvin：考慮到需防止注入到VIN引腳的高頻開關(guān)噪聲引起電源故障，我們選用了0.47uF的陶瓷電容。

（3） UVLO分壓器Cft：考慮到為分壓器提供濾波，我們選用100pF的陶瓷電容。

（4） VCC電容Cvcc：考慮到需要為HO驅(qū)動器和自舉二極管提供峰值瞬態(tài)電流，并為VCC穩(wěn)壓器提供穩(wěn)定性，我們采用了0.47uF的電解電容。

（5）輸出電容Co：考慮到輸出電容器需平滑電感紋波電流引起的輸出電壓紋波，并在瞬態(tài)負載條件下提供充電電源，我們選用了兩個220uF的電解電容作為主輸出電容，并加入兩個22uF電容，進一步降低輸出電壓紋波和尖峰。

3.3 開關(guān)管選用

開關(guān)管一般采用IGBT或MOSFET，IGBT的優(yōu)點是耐壓高，但導(dǎo)通內(nèi)阻大，損耗大；MOSFET優(yōu)點是導(dǎo)通內(nèi)阻極小，但耐壓不高，但考慮到輸入輸出電壓均不高，且要求損耗小、體積小，所以選用貼片式低損耗MOSFET[2]。

3.4 輸出電感制作

進口貼片電感價格太高、采購耗時長，而且參數(shù)不可改變，所以我們采用自制電感，可以很方便通過改變電感線圈匝數(shù)而改變電感參數(shù)。

3.5 電路原理圖設(shè)計

根據(jù)設(shè)計方案和芯片使用說明，我們自主設(shè)計了工作原圖，由于在制作期間，需要多次調(diào)整參數(shù)，所以畫的原理圖未標出參數(shù)的具體數(shù)值，以便隨時調(diào)整元件參數(shù)。原理圖是使用ALTIUM DESIGNER軟件設(shè)計的。原理圖見圖1。

3.6 PCB設(shè)計

為了使控制芯片外圍元件布局緊湊且達到良好效果，PCB板采用四層設(shè)計，讓電源和接地各占一層，并進行分區(qū)，避免信號地和模擬地之間的串擾。由于電源線、接地線不再占用頂層和底層板面資源，所以可以將元器件布置得更緊湊，芯片工作狀態(tài)更好，可以獲得極佳效果，PCB板圖見圖2

3.7 產(chǎn)品制作

根據(jù)設(shè)計要求，我們通過反復(fù)論證確定了元件參數(shù)、型號和數(shù)量，并選購所需材料。然后精心制作，雖然絕大部分元器件采用貼片封裝，但我們都采取了手工焊接，實踐證明效果很不錯，作品實物圖見圖3。

4 總結(jié)

4.1 本產(chǎn)品（作品）的性能

本產(chǎn)品制作成本約為100元左右，而市場精密電源售價一般在數(shù)百甚或千元以上，我們的產(chǎn)品成本遠遠低于市場同類產(chǎn)品的價格，與我們同等價格的產(chǎn)品測出的性能指標比我們的產(chǎn)品性能指標相差一個數(shù)量級。紋波測試見圖4

從表1可以看出，我們產(chǎn)品的成本低、效率高，性能要遠遠高于市場水平，具有較大的發(fā)展前景。

4.2 本產(chǎn)品（作品）的創(chuàng)新點

（1）采用四層PCB板設(shè)計、元器件布局緊湊合理，電源工作狀態(tài)良好。

（2）自制電感線圈，替代了進口產(chǎn)品，不僅使電源綜合成本降低20%以上，而且電感參數(shù)可以自行調(diào)整。

（3）本產(chǎn)品制造成本低，而性能指標高（見表1），主要指標均高于市售產(chǎn)品水平。

（4）極高的效率，對于滿載輸出45-90W的電源（單路輸出45W，雙路輸出90W）達到92.3%的效率，已差不多到了極限。

（5）采用節(jié)能設(shè)計，輕載時可以啟用二極管仿真模式，可以實現(xiàn)高效輸出；重載時，禁用二極管仿真模式，增強帶負載能力。

【參考文獻】

[1]TI官網(wǎng)提供的LM5119數(shù)據(jù)手冊.

[2]TI官網(wǎng)提供的CSD18532數(shù)據(jù)手冊.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]