基于LM5117降壓型開關電源的設計

黃勇 徐邦賢 潘宇

摘要：降壓型直流開關穩壓電源由于具有功耗小、效率高、輸出穩定電壓范圍寬等優點，在當今電子設備中充當著重要角色。本系統設計采用采用降壓（Buck）型拓撲結構，選用PWM芯片LM5117，配以必要的外圍元件，控制功率開關管CSD18532KCS ，實現電壓的穩定輸出。其具有較好的負載調整率和電壓調整率，帶負載能力強，大電流下紋波電壓小，電路可靠，轉換效率高等特點。

關鍵詞：開關電源；PWM；LM5117；CSD18532KCS

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）05-0170-02

開關電源作為穩壓電源的主流產品，具有效率高，功耗低，體積小，重量輕等優點，應用領域非常廣泛。本系統采用降壓（Buck）型拓撲結構，以帶模擬電流監視器的寬輸入電壓范圍的LM5117芯片為核心控制CSD18532KCS MOS場效應管，實現電壓的穩定輸出。

1 系統設計方案

降壓型直流變換器原理圖如圖1所示，它由功率開關管VT，儲能電感L，續流二極管VD，輸出濾波電容C以及PWM控制電路組成。其工作原理是當輸入電壓或負載變化引起輸出電壓變化時，通過閉環負反饋控制電路自動調節功率開關管VT導通時間占空比，從而使輸出電壓保持穩定。改變占空比的方法采用脈沖寬度調制（PWM）。

PWM控制電路采用TI公司的LM5117芯片配以少量元器件，具有控制電路所需的必要功能，簡化了電路設計，提高了系統的可靠性。開關管選用CSD18532KCS MOS場效應管，續流二極管選用SR3100。

2 主要功能電路設計

2.1 PWM控制電路的設計

LM5117是一款采用峰值電流模式控制的同步降壓控制器，具有較寬的輸入電壓范圍和熱關斷功能。

（1）FB為閉環負反饋反饋輸入端，接輸出電壓的電阻分壓信號，通過調節分壓信號可以調節輸出電壓電平；C7、R5、C10構成單極點單零點補償器電路（Ⅱ型環路補償），以實現穩定的電壓環路增益。

（2）開關頻率由直接連接至RT和AGND引腳并靠近器件的電阻R7設定，范圍可在50KHZ到750KHz改變；設開關頻率為100KHz，R7取51KΩ。

（3）2腳DEMB接地啟用二極管仿真；R1與C2用來設置PWM的斜波斜率，產生一個RAMP斜波信號來仿真電感的交流分量。此信號不需測量沒有濾波延遲，沒有前沿尖峰，并保持了峰值電流模式控制PWM暫態閉環響應較快，對輸入電壓的變化和輸出負載的變化瞬態響應快等優點。

（4）1腳UVLO為欠壓鎖定編程引腳，遠程控制EN通過Q1、R10、C6使穩壓器處于待機模式。

（5）CM提供檢測到電感電流平均值輸出，R3、C5和R2、C4為兩級RC濾波器，用以衰減電流采樣噪聲。CS為電流檢測放大器的輸入，圖3中的電阻R9為電流檢測電阻。

（6）HO和LO為高邊、低邊NMOS柵極驅動輸出，應盡量通過一條低電感的短路徑連接；高邊柵級驅動需與二極管D1和自舉電容C1配合工作。同時，HO和LO采用自適應死區時間來控制，以確保HO、LO輸出不會在同一時間輸出。

2.2 電源底板的設計

（1）儲能電感L1足夠大才能使電感電流連續，否則電感電流就會不連續。不連續模式將使直流變換器帶負載能力降低，穩壓精度變差和紋波電壓增大。但L1值過大其體積和重量也會增大，應綜合考慮。

本設計輸出電壓Uo=5V，輸入電壓要取最大值Ui=16V，輸出電流Io=3A，紋波電流一般取滿載電流的40%，開關頻率為100KHz，可算出臨界電感Lc=7.1uH，綜合考慮取47uH，此時紋波電流最大值為0.73A。

（2）輸出濾波電容C應采用高頻電解電容，常用多個電容器并聯，使輸出電容C有較小的等效串聯電阻（ESR）和等效串聯電感（ESL）。選擇一個ESR最大為20mΩ的220uF高頻電解電容為主輸出電容，其最大紋波輸出電壓為理論值可由下式算出，低于20mV。為進一步降低輸出電壓紋波和尖峰，可并接兩個低ESR/ESL的陶瓷電容。

（3）圖3中R2、R3、R4、R5、D1、D2可以縮短有效死區時間，確保場效應管Q2、Q3有足夠的死區時間，以確保C1被充電。

2.3 輔助電源的設計

LM5117等需要有輔助電源供電，其穩壓精度要求一般，本設計選擇串聯線性調整型穩壓電源，采用三端可調正穩壓器LM317來實現，電路簡單，可靠、成熟，僅需外接電阻R1和RP2來設置輸出電壓（見圖4），其線性調整率和負載調整率較好，并具有較高的紋波抑制比。LM317內置有過載保護、安全區保護等多種保護電路。

3 測試結果

（1）在額定輸入電壓16V的情況下，輸出電壓Uo=5±0.05V，輸出電流Io>3A，紋波電壓實測低于60mV，其效率大于87%，滿足設計要求；

（2）在輸入電壓為17.6V和13.6V時，電壓調整率滿足設計要求；

（3）在額定輸入電壓16V時，負載調整率滿足設計要求。

4 結語

通過測試結果表明，本系統采用LM5117和CSD18532KCS MOS設計的降壓型開關電源，帶負載能力強，大電流下紋波電壓小，具有較好的負載調整率和電壓調整率，電路可靠，轉換效率高等特點。

參考文獻

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