基于LM5117 的高轉化率降壓型直流開關穩壓電源設計

李聚才，劉雪峰

（山西電子科技學院，山西臨汾，041000）

在當代社會電源產業已變成重要的基礎能源需求與產業，是整個電子和控制系統的發展基礎[1]。電源是電子電路和設備的必要組成部分。所有的電子電路和設備都需要能夠穩定輸出的電源，針對不同的設備所需要的電源工作狀態也不一樣。直流穩壓電源作為電源產業的一個重要分支，在工程科學技術、科研探索和計量檢測領域廣泛應用。其中高轉化率的直流穩壓電源作為發展的主要方向，在通信、電子以及軍事等領域發揮著重要作用。根據其工作原理的區別，可將其分成線性穩壓電源和開關穩壓電源兩類[2]。開關穩壓電源是利用現代電力電子技術控制通斷晶體管開關狀態的時間比，保持輸出電壓穩定的一種直流電源。開關電源同時具備三種條件：開關、高頻和直流[3]。

DC-DC 采用模塊組建電源系統具有設計周期短、系統升級容易、可靠性強等特點，應用范圍也越來越廣泛。通過DC-DC 變換器搭建的電路具備精度高、抗干擾等特點[4]。將LM5117 作為主控芯片，構建起開關穩壓電源能夠完成16V 額定電壓到5V 的轉換，輸出波紋低，轉化率較高。

1 設計方案簡介

LM5117 作為一款高性能的同步降壓控制器，適用于高電壓以及大變化區間的輸入電源。此芯片具備輸入電壓前饋、簡化環路補償等功能。此外，獨有的熱關斷、頻率同步以及斷續模式電流限制等能夠實現故障保護。

方案中利用LM5117 控制電壓相較于傳統Buck 電路來說更為簡潔有效。

系統實現DC-DC 降壓時，采用了PWM 脈寬調制，穩壓輸出后將電流與電壓參數傳遞到LM5117。單片機檢測電流參數，一旦超過額定范圍，過流保護動作。系統框圖如圖1 所示。

圖1 系統框圖

2 方案論證與計算

2.1 降低波紋方案

選取適當的開關頻率，LM5117 開關頻率是通過RT引腳和AGND 之間的電阻決定，一般較高頻率體積較小，但往往損耗較大[5]。所以開關頻率選擇上，需要考量單片機的工作效率以及開關器件的損耗情況，將高頻噪聲控制在合理的區間內。通過多次實驗，選定開關頻率為fk= 230kHz。由于系統中內部振蕩器的工作狀況是由RT引腳和AGND 之間的電阻決定。因此在期望的開關頻率下，計算得出電阻值為：

2.2 穩壓方案

為了獲得設計輸出功率，電流取樣SR選值要適當。選擇電阻過大時，達不到要求的輸出功率；選擇電阻偏小時，會導致峰值電流過大，造成電路損耗大甚至可能損壞電路元件。電路計算得出相應的檢測電阻 和斜坡電阻 ：

式中：考慮誤差和波紋電流，最大輸出電流能力IOUT應高于所需輸出電流的20%～50%，取IOUT=3A的130%；利用斜坡發生器構成電流檢測電路，選取適當的K值調節諧波振蕩。本方案中設定K= 1以控制次諧波振蕩和實現單周期阻尼。

通過RS和K值即可求出斜坡電阻RR：

式中：LM5117 采用的是獨特的斜坡發生器，仿真電感器的電流為PWM 比較器提供一個斜坡信號，此方案中，設計斜坡電容選擇為CR= 820pF；設定K= 1，以控制次諧波振蕩和實現單周期阻尼；RS為公式（2）計算結果。

2.3 DC-DC 轉換方案

利用PWM 脈寬調制實現DC-DC 轉換，達成系統的數字化控制。電路FB 引腳上設置兩個分壓電阻RFB1和RFB2調節輸出電壓水平。分壓電阻比影響系統中頻增益，計算公式如下：

增大RFB2可以降低分壓器功耗，但是需要增加較大的環路補償電阻。RFB2足夠大才能使得分壓器總功耗很小，因此需要選擇合適的輸出分壓器的RFB1和RFB2，本方案中選定RFB1= 950Ω、RFB2= 499Ω。

2.4 環路補償計算

環路補償是一種在電子電路中用于抵消誤差和干擾的技術。它通過將一個反饋信號與輸入信號進行比較，并根據比較結果對輸入信號進行調整，從而實現對電路性能的優化和穩定。在現代電子設備中廣泛應用環路補償技術，為提高電路的精度、穩定性和可靠性起到了重要作用。

本文中在輸出電壓和接地點之間設置反饋電路和環路補償，補償電路由電容CCOMP、CHF和RCOMP構成，可配置誤差放大器增益和相位特征，以產生一個穩定的電壓環路。補償電阻可由開關頻率（十分之一）計算得出fC= 23kHz。

3 系統模塊方案

3.1 過流保護模塊

過流保護是一種電流保護裝置，其作用是在電流超過預定最大值時觸發動作。當流過受保護元件的電流超過預設值時，保護裝置會被激活，其作用是確保動作的選擇性，進而使斷路器跳閘或發出報警信號。這種保護裝置在許多電子設備中都存在，因為許多電子設備都有額定電流，一旦設備超過這個額定電流，就可能會導致設備燒壞。因此，這些器件都會做一個過流保護模塊，當電流超過設定電流時，器件會自動斷電以保護器件。

本文中LM5117 芯片的CM 端口可以實現模擬電流檢測，在電路中添加采樣電阻，通過外部采樣電阻通過一定的算法采集轉化到系統中的電流值后，將電流參數傳遞給單片機，單片機對該電流值進行測定。一旦檢測到的電流超過設定的過流保護電流值后，切斷電源，達成過流保護目標。電流檢測電路和穩壓保護如圖2 所示。

圖2 過流保護電路

3.2 輸入輸出電路濾波模塊

濾波器是由電容、電感和電阻組成的濾波電路。濾波器可以對電源線中特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除，得到一個特定頻率的電源信號，或消除一個特定頻率后的電源信號。濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分。利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進行頻譜分析。

本文中系統輸入電路由輸入端共模電感ACT45B（L2）和電容C5、C6 進行濾波，共模電感作為雙向濾波器，不僅會對傳輸電流形成電磁干擾還會自身產生電磁干擾。選用不同參數的電容并聯接地，有效降低輸入直流電壓波紋，并防止高頻干擾。

輸出電路原理如圖3 所示，電感L0 和電容構成L-C 濾波電路，同時在電感后并聯多個接地電容，有效降低輸出電壓波紋，降低電路損耗，抑制高頻噪聲干擾，最大化提升電源效率。

圖3 輸出電路

3.3 環路補償模塊

輸出電壓VOUT和接地點之間串聯可變電阻R1P和6R構成分壓線路，分壓后經由FB 端口傳遞給LM5117 進行處理。FB端口和COMP間通過電容C2和C3形成有效的環路補償。電路原理圖如圖4 所示。

圖4 環路補償

4 系統方案檢測

4.1 測試流程

系統中需要檢測的參數有輸出電壓、輸出電流、波紋電壓等。選用精度較高的電子毫伏表、萬用表以及示波器等。分別檢測系統處于空載和滿載兩種情況下的輸出電壓參數，以此來檢測負載變化率。將輸入電壓分別設定為17.6V 和13.6V，通過系統輸出電壓來測定電壓變化率，進一步得出系統損失和轉化效率。系統測試流程圖如圖5 所示。

圖5 測試流程圖

4.2 測試結果分析

4.2.1 輸出電壓在滿載和輕載狀態下的負載變化率St

系統額定輸入電壓為16V，調整負載電阻來改變輸出電流，從而檢測負載變化對應的輸出電壓值，計算出負載變化率 ，數據見表1。

表1 負載變化率

由表1 可得負載變化率St的值。電源負載的變化會引起電源輸出的變化，負載增加，輸出降低，反之，負載減少，輸出升高。實驗過程中St的變 化 值 在3.4%～3.8% 之 間， 在3%～5%范圍內，說明電源負載變化引起的輸出變化較小，電源表現良好。

4.2.2 不同輸入電壓條件的電壓調整率Sv

電壓調整率是用來衡量電壓變化對電壓穩定性的影響。計算方式是電壓變化與原始電壓之間的比率，通常以百分數表示，計算公式如下：

式中：ΔU0max為輸出電壓變化量。試驗時設定標準輸入電壓為16V，輸出電壓為5V，通過調壓器調整輸入電壓參數，記錄輸出電壓數據，見表2。

表2 電壓調整率

電壓調整率是電力系統穩定運行的重要指標。如果電壓調整率過低，則表明電壓變化范圍較小，電力系統比較穩定；反之，則表明電壓變化范圍較大，電壓穩定性偏差，這會導致電力系統運行不穩定。由表2 可知電壓變化范圍為0.2%～0.4%之間，變化范圍較小，電力系統能夠正常運行。

4.2.3 系統效率和過流保護檢測

系統輸入為額定電壓且滿載狀態時，調節電感和開關頻率。檢測系統輸出功率并計算運行效率，計算得出η=92%，可以看出該系統設計運行效率較高。

對系統過流保護模塊進行測試，經過多次試驗后，得出該系統在電流超過3.2A 時過流保護模塊動作。

5 結論

基于實驗測試的最終結果，可以發現該系統處在12V到18V 的輸入電壓變化區間內，均可以保證穩定輸出5V 電壓，同時系統輸出電流滿載。整體來看，系統輸出電壓穩定性良好，當系統輸入為額定電壓時，輸出電壓噪聲波紋可以控制在合理范圍內，峰值Uopp不超過50mV，且電壓偏差ΔU0小于100mV。此外，該電源系統的電壓調整率和負載調整率較為理想，St≤5%，SV≤ 0.05%。該電源系統還具有如下特性：

（1）系統轉換效率η=92%，較同類電源有明顯提升。

（2）該系統具有過流保護功能，保護電流為I= 3.2A± 0.1A，動作反應迅速。

（3）整體電源重量較輕，方便操作與攜帶。