基于LM5117的降壓型直流開關穩壓電源

王春柱

（火箭軍綜合訓練基地學兵訓練一隊，河北 唐山 064000）

引言

DC-DC變換器作為二次電源，有著體積小、質量輕、效率高、性價比高等優點，在機械、通信、汽車等領域得到了廣泛的應用[1]。以 LM5117為核心器件設計的電路，電路工作穩定，效率高，輸出紋波小，降低了低電壓工作電路的整體損耗。LM5117應用于升壓、降壓型低壓大功率直流穩壓電源中，對汽車電子領域的發展有重要意義。

1 同步降壓電路設計

1.1 電路設計目標和系統框圖

設計目標為降壓型直流開關穩壓電源。輸入電壓為 16 V，輸出電壓為5 V，輸出電流最大值為3 A，轉換效率為85%以上，輸出電壓紋波系數小于 50 mV。輸出電流 Io從滿載Iomax變到輕載0.2 Iomax時，負載調整率小于5%。

圖1 系統框圖

如圖1所示，開關電源電路由開關主電路、輸入輸出濾波電路、PWM波控制電路和電流電壓反饋電路構成[2]。開關電路選用經典的 Buck降壓電路模型，PWM 波控制電路由LM5117構成，輸出濾波電路由π型濾波電路構成。

1.2 主電路設計

圖2 主電路

如圖2所示，主電路部分由電容C1～C4、電感L1～L2、開關管Q1～Q2和采樣電阻R1構成。其中C1、C2構成輸入濾波電路，L1具有儲能和平波作用，C3、C4和L2構成π型濾波電路，有利于減小輸出電壓紋波[3]。

1.3 控制電路設計

控制電路設計如圖3所示，電路開關頻率由R11（即為RT電阻）編程設定，230 KHz時，產品設計尺寸小、效率高，是折中方案。

當開關頻率設定為230 KHz時，由開關頻率與RT電阻關系得到RT=21.6 K，RT選定了20 K的標準值。

電壓反饋是通過VR1和R10串聯構成，實時采集輸出電壓到FB引腳，與LM5117芯片內部的基準電壓（0.8 V）比較調整輸出PWM寬度，使輸出電壓達到穩定值。

電流檢測反饋采用串聯采樣電阻的方法。R7電阻連接至電流檢測電阻的高邊，高邊電壓信號正比于電流大小，傳輸給 CS引腳經放大器放大，后與誤差放大器電壓進行比較，調整輸出脈沖寬度，達到控制輸出電流峰值的目的。

圖3 控制電路

1.4 電感設計

電感值由式(1)計算得到13 μH，這里電感取值為標準值10 μH。

式中：VOUT為標稱輸出電壓；IPP(MAX)為最大紋波電流；fSW為開關頻率；VIN(MAX)為最大輸入電壓。

1.5 電流采樣電阻設計

為了獲得要求的輸出功率，電流采樣電阻 Rs阻值要選擇合適。阻值偏大將不能達到要求的輸出功率；阻值偏小將導致峰值電流過大，電路損耗大，還有可能損壞元器件。

式中：IOUT(MAX)為最大輸出電流能力，取3 A的130%；K為仿真正效率電感電流斜坡的RRAMP和CRAMP的關系系數，此處選擇 1，以控制次諧波振蕩和實現單周期阻尼；IPP為電感峰—峰紋波電流值。

由式(3)計算得到最小輸入電壓時電感峰—峰紋波電流值是1.37 A。

由式(4)計算得到采樣電阻的大小為9.3 mΩ，設計時實際采用了10 mΩ的康銅絲。

2 測試結果

輸入電壓為16.0 V，輸出帶1.65 Ω負載時輸出電壓為5.02 V，輸入電流為1.12 A，此時電路效率為85.2%。負載變為8.3 Ω時，輸出電流為0.61 A，測試負載調整率為1%。

開關管驅動波形如圖4所示，兩列波形互補，自適應死區時間。高邊驅動波形為第一條藍色波形所示，低邊驅動波形為第二條黃色波形所示，由于自舉電路作用，高邊驅動波形電壓大于低邊驅動電壓。

圖4 驅動波形

3 結論

從實驗測試數據和波形可以看出此電路設計的輸出電壓、電源效率、負載調整率、電壓紋波等均達到設計要求。以LM5117為核心器件的開關穩壓電源工作穩定、效率高、紋波小，可廣泛應用于汽車電子領域。