高精度DC-DC電源設(shè)計(jì)

屈召貴，周永強(qiáng)

(四川工商學(xué)院 實(shí)驗(yàn)中心，四川 成都 611745)

高精度DC-DC電源設(shè)計(jì)

屈召貴，周永強(qiáng)

(四川工商學(xué)院 實(shí)驗(yàn)中心，四川 成都 611745)

以LM5117芯片和CSD18532KCS為核心器件，設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源，電路中采用仿真電流斜坡的電流模式控制,得到了較高的輸出穩(wěn)定度和較小的紋波。電源具有過流保護(hù)和負(fù)載識(shí)別功能。通過仿真與實(shí)驗(yàn)得到了較理想的電源參數(shù)。

DC-DC變換器；電源；LM5117

0 引言

電源是給電子電路提供能量的重要電路組成部分，其電參數(shù)的精度直接影響電路的正常工作。電源的變換管理電路一直在不斷地發(fā)展、優(yōu)化和完善。電源的變換分為四大類：交流-直流(AC-DC)，通過整流實(shí)現(xiàn)；直流-交流(DC-AC)，通過逆變實(shí)現(xiàn)；直流-直流(DC-DC)，通過斬波實(shí)現(xiàn)；交流-交流(AC-AC)，通過變頻實(shí)現(xiàn)[1-2]。本文針對DC-DC 降壓型直流變換器設(shè)計(jì)，提出設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。傳統(tǒng)的DC-DC變換器，尤其是大功率電源，大都采用分離元件與MCU結(jié)合實(shí)現(xiàn)，例如30 A輸出電流。這些變換器增加了電路的功耗、成本、體積，電源內(nèi)阻、電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和紋波等參數(shù)也很難達(dá)到高精度。文中結(jié)合LM5117芯片、N通道NexFET功率MOSFET和外圍電路，采用仿真電流斜坡的電流模式控制，實(shí)現(xiàn)輸入電源電壓16 V，輸出5 V/3 A，紋波峰峰值小于50 mV，電壓調(diào)整率小于0.5%，負(fù)載調(diào)整率小于5%，具有過流保護(hù)和負(fù)載識(shí)別功能的開關(guān)穩(wěn)壓電源。

1 電路設(shè)計(jì)

1.1主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電源電路主要由LM5117和CSD18532KCS組成。LM5117是一款采用模擬電流監(jiān)視的寬輸入范圍同步降壓控制器，其輸入電壓為5.5 V～55 V，工作頻率為50 kHz～750 kHz，具有可編程0.8 V輸出、電流限制、過流保護(hù)等功能。CSD18532為N溝道功率開關(guān)管，其漏源電壓為60 V，閾值電壓為1.8 V[3]。

根據(jù)LM5117的數(shù)據(jù)手冊可設(shè)計(jì)出電源主電路如圖1所示。圖中，CVCC為電源濾波電容，COUT為輸出端濾波電容；DHB選擇肖特基二極管，電感L0選擇22 μH，RS為4個(gè)0.1 mΩ和1個(gè)0.01 mΩ電阻并聯(lián)；AGND與PGND分開，在電路板最后再匯聚在一起。將1.5 kΩ的電阻與470 pF的電容串聯(lián)接在輸出端和FB之間可抑制紋波[4-5]。

1.2主電路分析與參數(shù)設(shè)計(jì)

1.2.1開關(guān)頻率fsw

LM5117開關(guān)頻率是通過RT引腳和AGND引腳之間連接的外電阻來設(shè)定的，振蕩頻率在50 kHz～750 kHz之間。理想開關(guān)頻率與RT的關(guān)系為式(1)所示。本電路頻率為100 kHz,則RT=51 kΩ。

(1)

圖1 主電路拓?fù)鋱D

1.2.2輸出電感L

電源中電感L主要起儲(chǔ)能作用。電路選擇紋波電流為5 A的40%進(jìn)行計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)紋波最小。已知開關(guān)頻率、最大紋波電流、最大輸入電壓和標(biāo)稱輸出電壓，電感值計(jì)算如式(2)。

(2)

1.2.3電源開關(guān)管QH和QL

功率NMOS 器件的選擇與開關(guān)損耗和耐壓有關(guān)。開關(guān)損耗的計(jì)算只針對高邊 NMOS 器件，低邊 NMOS 器件的開關(guān)損耗是微不足道的，因?yàn)樵诘瓦匩MOS 器件開關(guān)前后，低邊 NMOS 器件的二極管為開啟狀態(tài)。對于本例，施加在 NMOS 器件的最大漏-源電壓為 55 V。選定的 NMOS 器件必須能夠承受55 V。因此，選用CSD18532KCS場管[6]。

1.2.4 UVLO分壓器RUV2、RUV1和CFT計(jì)算

所需啟動(dòng)電壓和遲滯由分壓器RUV1和RUV2來設(shè)定。電容CFT為分壓器提供濾波，選取為47 pF。對于這樣的設(shè)計(jì)，啟動(dòng)電壓設(shè)置為14 V，低于VIN(MIN) 1 V。VHYS設(shè)置為2 V。RUV1、RUV2的值可以用式(3)和式(4)計(jì)算。

(3)

(4)

1.2.5自舉電容CHB和自舉二極管DHB

在每個(gè)周期的開啟期間，HB和SW引腳之間的自舉電容提供柵極電流，對高邊 NMOS器件柵極充電，還為自舉二極管提供恢復(fù)電荷。這些電流峰值可達(dá)幾安培。自舉電容的值至少是0.1 μF。CHB應(yīng)該是低ESR陶瓷電容器，它應(yīng)位于 IC 的引腳旁，以盡量減少可能由引線電感引起的破壞性電壓瞬變。自舉電容的最小絕對值計(jì)算如式(5)。

(5)

式中Qg是高邊 NMOS 柵極電荷，ΔVHB是CHB上的容許電壓降，通常不到VCC的5%。本例選擇的值為0.47 μF。二極管選用齊納二極管。

1.2.6輸出電容CO

輸出電容器可以平滑電感紋波電流引起的輸出電壓紋波，并在瞬態(tài)負(fù)載條件下提供一個(gè)充電電源。對于本例，選擇一個(gè)最大ESR為20 mΩ的470 μF電解電容作為主輸出電容。具有最大ESR的輸出紋波電壓的基本元件近似值如式(6)所示。

(6)

其他低 ERS/ESL 陶瓷電容器可以與主輸出電容并聯(lián)起來，以進(jìn)一步降低輸出電壓紋波和尖峰。本例中加入了兩個(gè)22 μF 電容。

1.2.7輸入電容CIN

在開關(guān)頻率下，穩(wěn)壓器輸入電源電壓通常具有高源阻抗。要使用高質(zhì)量的電容來限制VIN引腳紋波電壓，同時(shí)在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)提供最大的開關(guān)電流。當(dāng)高邊NMOS器件導(dǎo)通時(shí)，電流進(jìn)入器件使電感電流波形從波谷到波峰，然后在關(guān)斷時(shí)下降到零點(diǎn)。應(yīng)根據(jù)RMS電流額定值和最小紋波電壓選擇輸入電容。本例使用10 μF與470 nF并聯(lián)的陶瓷電容。

1.2.8其他參數(shù)

軟啟動(dòng)電容CSS選為0.47 μF，重啟電容器CRES選為1 μF。輸出分壓器RFB1和RFB2通過計(jì)算分別為4.99 kΩ和357 Ω。環(huán)路補(bǔ)償元件CCOMP、RCOMP、CHF分別為25 nF、27.5 kΩ、189 pF。

1.3過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

過流保護(hù)電路是由LM5117的CS和CSG管腳外接的電流檢測電阻RS值確定的。當(dāng)輸出電流大于設(shè)定值時(shí)，將觸發(fā)內(nèi)部觸發(fā)器，輸開關(guān)管關(guān)閉，無輸出。設(shè)置的關(guān)系如式(7)。本例中選擇K=1，以控制次諧波振蕩和實(shí)現(xiàn)單周期阻尼。考慮到誤差和紋波電流，最大輸出電流能(IOUT(MAX))應(yīng)高于所需輸出電流的20%～50%。本例中選擇3 A的120%，經(jīng)計(jì)算RS為7 mΩ，3.6 A時(shí)保護(hù)[7-8]。

(7)

根據(jù)RS的值可計(jì)算斜坡電阻RRAMP和CRAMP，以降低電路的噪聲，有助于實(shí)現(xiàn)高輸入電壓應(yīng)用所必需的極小占空比的可靠控制。對于本文CRAMP值設(shè)置在820 pF的標(biāo)準(zhǔn)電容值；利用電感器可選擇檢測電阻和系數(shù)K，設(shè)AS為10，RRAMP值可以用式(8)計(jì)算。RRAMP取值480 Ω。

(8)

1.4負(fù)載識(shí)別電路設(shè)計(jì)

電源具有負(fù)載識(shí)別功能。增加1個(gè)2端子端口，端口可外接電阻R(1 kΩ～10 kΩ)作為負(fù)載識(shí)別端口。電源通過測量端口識(shí)別電阻R的阻值，確定輸出電壓，UO=R/1 kΩ(V)。負(fù)載識(shí)別電路如圖2所示，采用兩級運(yùn)放實(shí)現(xiàn)從UOUT到LM5117的反饋端FB，形成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。通過運(yùn)放使輸出電壓UOUT和被測電阻Rx成比例。圖中P2接UOUT，P4接負(fù)載電阻Rx，P3連接LM5117的FB端口。則輸入U(xiǎn)2A同相端的電壓為0.5×UOUT，其輸出端電壓如式(9)所示[9-10]:

(9)

圖2 負(fù)載識(shí)別電路圖

U2B為減法器,反相輸出端通過分壓電阻R3、R4實(shí)現(xiàn)10：1分壓，為0.1UOUT。同相端為U2AOUT。則U2B的輸出電壓如式(10)所示：

(10)

將式(9)代入式(10)，則有式(11)。設(shè)U2BOUT為1，則有UOUT:Rx=1∶1,從而達(dá)到Rx變化，引起對應(yīng)的UOUT變化，得到式(12)。

(11)

(12)

U2BOUT通過電位器調(diào)節(jié)，使連接至FB端口的電壓保持在0.8 V，達(dá)到負(fù)載識(shí)別功能。

2 電路測試與結(jié)果分析

電源電路測試內(nèi)容有輸出電流電壓測試、紋波電壓測試、負(fù)載調(diào)整率測試、電壓調(diào)整率測試、效率測試、過流保護(hù)測試、負(fù)載識(shí)別等。測試框圖如圖3所示。測試儀器為：電源(1臺(tái))，數(shù)字萬用表(4個(gè))，滑線變阻器(1個(gè))。測試方法：兩個(gè)電壓表分別并聯(lián)在輸入和輸出端，輸入端和電源之間串聯(lián)一個(gè)電流表，輸出端與負(fù)載之間串聯(lián)一個(gè)電流表。

圖3 測試電路框圖

2.1最大輸出電流和過流保護(hù)測試

(1)測試條件：輸入電壓UIN=16 V，測試結(jié)果見表1。

表1 最大輸出電流測試表

(2)結(jié)果分析：最大輸出電流在3.15 A附近，在3.24 A附近過流保護(hù)。

2.2紋波電壓Uopp測試

(1)測試條件：輸入電壓UIN=16 V,Io=Iomax，測試結(jié)果如表2所示。

表2 紋波電壓峰峰值

(2)結(jié)果分析:紋波電壓峰峰值小于50 mV。

2.3負(fù)載調(diào)整率Si

(1)測試條件：輸入電壓UIN=16 V,Io=0.2Iomax，測試結(jié)果如表3所示。

表3 負(fù)載調(diào)整率

(2)結(jié)果分析：負(fù)載調(diào)整率Si小于2%，表明負(fù)載穩(wěn)定度很高。

2.4電壓調(diào)整率Sv

(1)測試條件：輸入電壓UIN=17.6 V，RL=Uo16 V/Iomax，測試結(jié)果如表4所示。

表4 電壓調(diào)整率

(3)結(jié)果分析：電壓調(diào)整率小于2%，輸入電源對輸出的影響很小，穩(wěn)定度較高。

2.5效率η

(1)測試條件：輸入電壓UIN=16 V，Io=Iomax，測試結(jié)果如表5所示。

表5 效率測試表

(2)結(jié)果分析：效率高于90%，電源效率很高。

2.6負(fù)載識(shí)別功能

(1)測試條件：輸入電壓UIN=16 V，測試結(jié)果如表6所示。

表6 負(fù)載識(shí)別測試結(jié)果

(2)結(jié)果分析:根據(jù)Uo=R/1 kΩ，實(shí)測輸出電壓有一定偏差，偏差在0.03%以內(nèi)，識(shí)別精度很高。

3 結(jié)論

本文提出基于LM5117的高精度DC-DC變換電源設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析了電路結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、電路參數(shù)仿真、實(shí)驗(yàn)測試和分析。結(jié)果表明設(shè)計(jì)的電路紋波電壓小、穩(wěn)定度高、帶負(fù)載能力強(qiáng)，具有負(fù)載識(shí)別和過流保護(hù)功能，有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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High-precision DC-DC power supply design

Qu Zhaogui, Zhou Yongqiang

(Experiment Center, Sichuan Technology and Business University, Chengdu 611745, China)

This paper designed and produced a step-down dc switching power supply, with LM5117 chips and CSD18532KCS as the core devices. Current slope of current mode control circuit adopts the simulation, the higher output stability and smaller ripple are obtained. The power supply has the function of over-current protection and load identification. Through the simulation and experiment, the ideal power supply parameters are obtained.

DC-DC converter; power; LM5117

TP212.9

：A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.17.010

屈召貴，周永強(qiáng).高精度DC-DC電源設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(17)：34-37.

2017-03-15)

屈召貴(1980-)，通信作者,男，碩士，副教授，主要研究方向：嵌入式技術(shù)、儀器儀表。E-mail：35247485@qq.com。周永強(qiáng)(1982-)，男，碩士，講師，主要研究方向：數(shù)字信號處理。