基于LM5117的降壓型直流開關穩壓電源設計

榮海林+姚福安+張德強

摘 要 選用TI公司的LM5117芯片作為穩壓系統控制的核心，制作一款穩定高效的降壓型直流開關穩壓電源，采用電壓閉環反饋控制，具有穩定的過流保護、負載識別功能，提高了輸出電壓的穩定性，大大降低了輸出紋波電壓。選擇合適的開關頻率及環路補償網絡增強電路穩定性和帶負載能力，進一步穩定輸出電壓。

關鍵詞 LM5117；降壓型開關穩壓電源；閉環控制

中圖分類號：TN492 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）06-0036-03

Abstract This system design chooses LM5117 chip and CSD18532-KCS MOSFET of TI Company as control core voltage stabilizing system， and builds a stable and efficient buck type DC switching power supply. It uses the closed-loop feedback control voltage， im-proving the stability of output voltage. Design reduces the output ripple voltage， selecting the appropriate switching frequency com-pensation and loop network to enhance the stability and load capa-city， make output voltage more stable.

Key words LM5117； Buck DC； feedback control

1 引言

開關電源憑借其相對于線性電源的體積小、效率高、可靠性強的優點，在越來越多的場合得到應用。傳統的PWM開關電源電路結構復雜，開關頻率低，電源功耗高，紋波系數大。隨著對開關電源性能要求的不斷提高，傳統的PWM開關電源逐漸不能滿足性能要求，隨著半導體技術的迅猛發展。模塊化的開關電源控制芯片的優越性能得到越來越廣泛的應用，工作頻率高，紋波系數小，帶負載能力強，便于調試。TI公司生產的軍工級新型同步降壓控制器LM5117就是優秀代表。

2 LM5117介紹

LM5117是一款同步降壓控制器，適用于高電壓或各種輸入電源的降壓型穩壓器應用。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路補償功能。使用仿真控制斜坡可降低脈寬調制電路對噪聲的敏感度，有助于實現高輸入電壓應用所必需的極小占空比的可靠控制。LM5117的工作頻率可以在50～750 kHz范圍內設定。可利用自適應死區時間控制來驅動外部高邊和低邊NMOS功率開關管（《LM5117技術手冊》）。

3 方案描述

為滿足題目要求，本系統能夠處理兩種輸入信號：16 V直流輸入電壓、外部負載R。通過人工方式在兩種輸入信號之間進行功能的切換，然后通過LM5117為核心的穩壓電路，分別實現16 V輸入、5 V恒壓輸出，負載R可變輸入、1～10 V電壓輸出這兩種功能。同時利用采樣電阻采集電流信號交給比較器控制，進行過流保護，提高系統可靠性。整體設計框圖如圖1所示。

4 方案設計

降低紋波 本系統采用加強輸入輸出的LC濾波網絡，輸入輸出信號在送到對應端口之前均采用多個電容并聯，大大降低紋波電壓；輸出端的LC濾波網絡選用較小電感（10 μH），降低電路功耗，有助于提高電源效率；輸出端采取C1和R21阻容吸收網絡，消除尖峰[1]。

負載R檢測 本系統使用LM358構成的恒流源電路[2]，將負載R的阻值轉化成電壓差分信號送入INA118儀表放大器進行放大，經恒流源轉化后差分信號Ud與負載阻值R之間滿足題目要求計算公式：Ud=R/1k（V）。

Ud被放大后通過運放，成為VOUT輸出。

負載R檢測如圖2所示。其中，U1A構成恒流源，RL為待測負載R（仿真電路中條件RL=5k），U2的INA118P為儀表放大器[3]，處理恒流源轉化的電壓差分信號R3/R5和R6/R4分別構成的分壓電路和比例電路。

穩壓控制 本系統采用以LM5117芯片為核心的穩壓電路，內部高增益誤差放大器產生一個與FB引腳電壓和內部高精度0.8 V基準之差成正比的誤差信號。選取合適的RCOMP、CCOMP和CHF構成π型環路補償元件，連接至COMP引腳的誤差放大器。選取合適的反饋調節網絡，使輸出電壓穩定到需求值[4]。

過流保護 LM5117芯片的UVLO端口是欠壓鎖定編程引腳。當UVLO引腳低于0.4 V時，穩壓器處于關斷模式，所有功能被禁用。如果UVLO引腳電壓高于0.4 V并低于1.25 V，穩壓器隨VCC穩壓器運行而處于待機模式，此時SS引腳接地，且HO和LO輸出端不會切換。決定利用這一特性，使工作電流超過額定電流時強制拉低UVLO口的電壓至0.4 V～1.25 V之間，將LM5117芯片置于待機狀態。

采集輸出電流，將取樣電壓與達到額定電流時的電壓進行比較，將比較結果使用CD4013進行鎖存，并反接肖特基二極管SS14，使過流時的UVLO端口鉗位到0.7 V，達到過流保護的效果[5]。過流保護如圖3所示。主電路整體原理圖如圖4所示。

5 測試方案與測試結果

首先，將本系統與外部直流電源相連接，調節直流電源輸出電壓，使得系統輸入UIN=16 V，保持恒定。調節負載大小，當IO=0.2IOMAX，記錄UO，即為輕載輸出電壓；當IO=IOMAX，記錄UO，即為滿載輸出電壓，計算負載調整率SI。

其次，調節直流電源輸出電壓，當系統輸入UIN=13.6 V和UIN=17.6 V時，分別記錄UO13.6V、UO17.6V，計算電源電壓調整率SV。

再次，調節直流電源輸出電壓，使得系統輸入UIN在13.6～17.6 V范圍內變化，在其中選取5組不同輸入電壓值進行測量。記錄不同輸入電壓UIN分別對應的輸入電流IIN、輸出電壓UO以及輸出電流IO，計算轉換效率η。

最后，調節直流電源輸出電壓，使得系統輸入UIN=16 V，保持恒定。改變外接待測電阻R大小，測量并記錄不同阻值下對應的輸入電流IIN、輸出電壓UO以及輸出電流IO，計算轉換效率η。

測試結果如表1～表4所示。

經測試，本系統能夠完成題目所有的設計性能要求。并且在負載調整率及轉換效率方面均優于設計要求。

6 結論

通過一系列功能測試，本系統以LM5117為核心設計穩壓電路，實現16～5 V的DC-DC電壓變換，同時能夠檢測外接負載R大小并根據一定的公式調節輸出電壓。經測試，系統能夠實現所有要求，并提高電源效率達到91%以上，負載調整率降至0.4%，同時將紋波電壓峰峰值控制在20 mV

以內，是一款性能優良的降壓型直流開關穩壓電源。

參考文獻

[1]童詩白.模擬電子線路[M].北京：清華大學出版社，1996.

[2]姚福安，徐向華.電子技術實驗課程設計與仿真[M].北京：清華大學出版社，2015.

[3]陳大欽，羅杰.電子技術基礎實驗[M].3版.北京：高等教育出版社，2008.

[4]姚福安.電子電路設計與實踐[M].濟南：山東科學技術出版社，2005.

[5]梁秀梅，于平義.模擬電子技術實驗課程[M].西安：西北工業大學出版社，2008.