任于涵，文定都，皮松濤

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

基于LM25116的車用開關(guān)電源

任于涵，文定都，皮松濤

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

設(shè)計(jì)了一種基于LM25116的車用開關(guān)電源，輸入直流電壓為24 V，輸出電壓為12 V。采用BUCK電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將阻抗較小的MOS管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二極管，以實(shí)現(xiàn)同步整流，提高電源的輸出效率。分析了主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路的工作原理。實(shí)物測試結(jié)果表明，本電路能穩(wěn)定輸出電壓，輸出效率可達(dá)90%以上，性能滿足設(shè)計(jì)要求。

LM25116；車用開關(guān)電源；同步整流

0 引言

開關(guān)電源已被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備，如通訊、醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域的電子設(shè)備中。受傳統(tǒng)功率器件頻率和功耗的限制，開關(guān)電源的效率比較低。

隨著生活水平的提高，人們對(duì)乘車舒適度的要求越來越高，導(dǎo)致車載電氣設(shè)備越來越多，如車窗除霜器、電加熱座椅、倒車?yán)走_(dá)等。在汽車系統(tǒng)中，由車用開關(guān)電源將蓄電池的電能變換為12 V直流電源，為車輛的中央控制器、燈光、雨刷等車載電氣提供電能。但是，車上的干擾源較多，如繼電器等，使得車用開關(guān)電源的應(yīng)用環(huán)境更加惡劣，且車上的功率器件工作時(shí)，發(fā)熱較為嚴(yán)重[1-4]，會(huì)影響開關(guān)電源的輸出穩(wěn)定性。因此，車用開關(guān)電源需要效率高、抗干擾性好，能穩(wěn)定輸出電壓。

車用開關(guān)電源由于受空間限制，如何在減小開關(guān)電源體積的同時(shí)，提高其效率，是一個(gè)重要的研究方向[5-8]。采用同步整流技術(shù)可有效解決這一問題。同步整流BUCK型開關(guān)電源變換器，即同步整流降壓型開關(guān)電源，是目前比較常見的一類開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[9-12]。因此，本文采用TI公司（Texas Instruments）的LM25116同步整流降壓控制器電源芯片，設(shè)計(jì)了一種同步整流BUCK變換器[13-15]作為車用開關(guān)電源。

1 電路設(shè)計(jì)

1.1 電路總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)包括主電路、PWM（pulse width modulation）控制電路和驅(qū)動(dòng)電路、輸出電路、取樣電路，如圖1所示。其工作原理是：輸入直流電壓24 V，經(jīng)過主電路、輸出電路后，得到12 V直流電壓；同時(shí)，采用電流取樣和電壓取樣構(gòu)成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，再由控制芯片調(diào)節(jié)PWM波形驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管和續(xù)流開關(guān)管的開通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)12 V的穩(wěn)定輸出。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1 System structure diagram

1.2 主電路

圖2是同步整流BUCK電路的主電路結(jié)構(gòu)圖。本課題組是在基本的BUCK電路上，將續(xù)流二極管換成開關(guān)管Q2，構(gòu)成同步整流電路。

圖2 同步整流BUCK電路主電路圖Fig. 2 The main circuit diagram for synchronous rectification BUCK converter

同步整流BUCK電路的工作原理是：在一個(gè)控制周期中，當(dāng)主開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)管Q2關(guān)斷，由電源Ui向負(fù)載R1供電，電感L1儲(chǔ)能；當(dāng)主開關(guān)管Q1關(guān)斷時(shí)，開關(guān)管Q2導(dǎo)通，電感L1釋放能量，通過Q2和負(fù)載R1構(gòu)成回路，給負(fù)載R1供電。本電路在一個(gè)周期內(nèi)的平均輸出電壓小于電源電壓，起到降壓的作用。由于使用MOS管Q2代替了續(xù)流二極管，其導(dǎo)通內(nèi)阻小，大大降低了整流損耗，提高了電源效率。

1.3 PWM控制電路和驅(qū)動(dòng)電路

對(duì)于開關(guān)電源來說，PWM控制電路和驅(qū)動(dòng)電路是十分重要的，其影響整個(gè)系統(tǒng)是否能正常工作。本課題組舍棄傳統(tǒng)PWM控制芯片與驅(qū)動(dòng)芯片單獨(dú)使用的方法，選取同步整流BUCK專用芯片LM25116。LM25116是TI公司生產(chǎn)的一款寬范圍同步降壓控制器，具有兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)端[11]。該芯片具有低功耗、精密基準(zhǔn)電壓、欠電壓鎖定以及軟起動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以實(shí)現(xiàn)PWM的產(chǎn)生和控制，而且能夠驅(qū)動(dòng)上、下兩個(gè)MOS管，同時(shí)能簡化外圍電路的設(shè)計(jì)。LM25116的工作頻率為50 kHz至1 MHz，輸入電壓范圍為6～42 V，輸出電壓范圍為1.215～36.000 V。LM25116的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

1腳VIN：芯片的電源輸入電壓端。

2腳UVLO：欠壓關(guān)斷引腳。如果電壓低于1.215 V，穩(wěn)壓器處于待機(jī)模式（VCC穩(wěn)壓器運(yùn)行時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器禁用）。如果電壓高于1.215 V，穩(wěn)壓器正常工作。外部分壓器可用于設(shè)置欠壓關(guān)斷閾值。

3腳RT / SYNC：內(nèi)部振蕩器設(shè)置。頻率由RT和引腳AGND之間的外部電阻進(jìn)行設(shè)置。

4腳EN。如果EN低于0.5 V時(shí)，穩(wěn)壓器處于低功耗狀態(tài)。EN高于3.3 V時(shí)，穩(wěn)壓器才能正常運(yùn)行。

5腳RAMP：斜坡控制信號(hào)。連接在此引腳和引腳AGND之間的外部電容用于設(shè)置電流模式控制的斜坡斜率。

6腳AGND：模擬地。其連接到引腳PGND。

8腳FB：反饋信號(hào)。該引腳連接到內(nèi)部誤差放大器的反相輸入端，該調(diào)節(jié)的閾值是1.215 V。

9腳COMP：內(nèi)部誤差放大器的輸出端。環(huán)路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)連接在此引腳和FB引腳之間。

10腳VOUT：電壓輸出端。

11腳 DEMB：低變MOS管的源極電壓監(jiān)視器。

12腳 CS：電流檢測放大器的反相輸入端。該引腳連接到檢測電阻器的頂部，用于檢測低邊MOS管漏源極開通時(shí)的電流。

13腳 CSG：電流檢測放大器的同相輸入端。該引腳連接到檢測電阻器的底部，用于檢測低邊MOS管漏源極開通時(shí)的電流。

14腳PGND：電源地。

15腳 LO：低邊MOS管柵極驅(qū)動(dòng)輸出端。

16腳VCC ：7.4 V的基準(zhǔn)電壓源輸出端。

17 腳VCCX：可選輸入端。其用于從外部提供的VCC輸入端口。如果VCCX高于4.5 V，VCCX內(nèi)部連接到VCC，使內(nèi)部VCC穩(wěn)壓器被禁用。如果VCCX未被使用，通過外部電容連接到地。

18 腳HB：高邊驅(qū)動(dòng)器電源的自舉柵極驅(qū)動(dòng)。其連接到自舉二極管的陰極和自舉電容器的正極。

19 腳HO：高邊MOS管柵極驅(qū)動(dòng)輸出端。

20 腳SW：開關(guān)節(jié)點(diǎn)。其連接到自舉電容的負(fù)極和高邊MOS管的源極。

EP：裸露的焊盤。其焊接到地。

圖3 LM25116的結(jié)構(gòu)框圖Fig. 3 The structure diagram of LM25116

PWM的控制和驅(qū)動(dòng)主要是由芯片LM25116來完成。LO和HO兩個(gè)引腳分別控制和驅(qū)動(dòng)同步整流的兩個(gè)開關(guān)管。LO驅(qū)動(dòng)下MOS管Q2的柵極。HO驅(qū)動(dòng)上MOS管Q1的柵極。PWM的產(chǎn)生及控制是由輸出反饋到LM25116，通過內(nèi)部的誤差放大器及PWM產(chǎn)生器等進(jìn)行控制。

在圖2的基礎(chǔ)上，由LM25116進(jìn)行控制與驅(qū)動(dòng)兩個(gè)開關(guān)管，同時(shí)對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到樣機(jī)的電路原理圖，如圖4所示。

圖4 電路設(shè)計(jì)原理圖Fig. 4 The circuit design schematic diagram

UVLO的外部分壓器通過電阻R1和R2設(shè)置欠壓關(guān)斷閾值。頻率通過電阻R3進(jìn)行設(shè)置。RAMP外接一個(gè)電容C3，設(shè)置電流模式控制的斜坡斜率。該電路的軟啟動(dòng)時(shí)間通過外接電容C4進(jìn)行設(shè)置。通過電阻R8、R9分壓原理將輸出電壓反饋到內(nèi)部誤差放大器的反相輸入端，進(jìn)行PWM的調(diào)節(jié)。電容C5、C6和電阻R6在FB和COMP構(gòu)成環(huán)路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。CS和CSG之間接一個(gè)檢測電阻器R7，是用于檢測開關(guān)管的電流并反饋到內(nèi)部的電流誤差比較器。LO輸出驅(qū)動(dòng)下MOS續(xù)流管Q2 。HO輸出驅(qū)動(dòng)上MOS主開關(guān)管Q1。由于VCCX未使用，故通過外部電容C14接地。二極管D1和電容C7構(gòu)成自舉電路，通過芯片驅(qū)動(dòng)上MOS管的柵極。

2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的開關(guān)電源系統(tǒng)參數(shù)為：開關(guān)頻率f=535 kHz，輸入電壓Ui=24 V，輸出電壓Uo=12 V，輸出電流Io=5 A。經(jīng)過相關(guān)計(jì)算，系統(tǒng)的主要器件參數(shù)如下。

1）輸入濾波電容Ci

2）主開關(guān)管Q1，續(xù)流開關(guān)管Q2

在開關(guān)管的選擇上，首先考慮 MOS 管的閾值電壓，此值一定要小于驅(qū)動(dòng)電壓，MOS 管的導(dǎo)通電阻越小，MOS 管工作時(shí)的損耗越小。因此，本文選用500 V/8 A的IRF840作為主開關(guān)管Q1和續(xù)流開關(guān)管Q2。

3）儲(chǔ)能電感L1

式中：IPP為滿載時(shí)電流的20%～40%；Ui_max為最大輸入電壓。式（2）中代入相關(guān)數(shù)據(jù)，可得電感L1=6.5H。因此，本文選用線徑0.1 cm的工字電感。

4）輸出濾波電容Co

式中RESR為電容的等效串聯(lián)電阻。式（3）中代入相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算可得輸出濾波電容的容量為56F。為降低輸出電壓紋波，本文選用兩個(gè)68F/50 V的鋁電解電容并聯(lián)。

3 樣機(jī)測試結(jié)果與分析

根據(jù)上述圖4的電路原理制作了一塊同步整流BUCK電路的樣機(jī)測試板。該樣機(jī)的開關(guān)頻率為f=535 kHz，輸入電壓為Ui=24 V，輸出電壓為Uo=12 V。圖5所示為同步整流BUCK電路的樣機(jī)PCB板的正面和背面。

圖5 樣機(jī)PCB板實(shí)物圖Fig. 5 A sample physical diagram of prototype PCB

輸入直流電壓為24 V時(shí)，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測試，主開關(guān)管Q1的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形如圖6所示。從圖可以看出，驅(qū)動(dòng)波形的占空比為55%左右，波形滿足設(shè)計(jì)要求，開關(guān)管能夠正常工作。

圖6 主開關(guān)管Q1的PWM驅(qū)動(dòng)波形圖Fig. 6 A PWM oscillogram of switch Q1

續(xù)流開關(guān)管Q2的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形如圖7所示。從圖可以看出，驅(qū)動(dòng)波形的占空比為45%左右，這說明Q2能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二極管進(jìn)行續(xù)流。

圖7 續(xù)流開關(guān)管Q2的PWM波形圖Fig. 7 A PWM oscillogram of freewheeling switch Q2

主開關(guān)管Q1的Uds波形（CH1通道）以及續(xù)流開關(guān)管Q2的Uds波形（CH2通道）如圖8所示。從圖6～8可以看出，主開關(guān)管Q1和續(xù)流開關(guān)管Q2的PWM驅(qū)動(dòng)波形互補(bǔ)，兩個(gè)開關(guān)管的開關(guān)過程迅速，開關(guān)損耗較小。主開關(guān)管在關(guān)斷的瞬間有尖峰存在，但其數(shù)值較小，對(duì)電路影響較小。

圖8 主開關(guān)管Q1和續(xù)流開關(guān)管Q2的Uds波形圖Fig. 8 Udswave-forms of the main switch Q1 and freewheeling switch Q2

樣機(jī)測試的輸出電壓波形如圖9所示。從圖9可以看出，系統(tǒng)的輸出電壓穩(wěn)定在12 V左右，除示波器探頭引起的雜波干擾外，其自身的紋波很小，達(dá)到了輸出的預(yù)期效果。

圖9 輸出電壓波形圖Fig. 9 The output voltage waveform

輸入電壓為Ui=24 V且滿載時(shí)，測得輸入電流為Ii=2.67 A，計(jì)算得到輸入功率為Pi=UiIi=64.08 W。滿載時(shí)，輸出電流為Io=4.85 A，輸出功率為Po=UoIo=58.2 W。因此，整機(jī)的效率為 =Po/Pi=0.908，該效率達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款基于LM25116的車用開關(guān)電源。先分析了電路的工作原理，給出了系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算及選取原則。測試結(jié)果表明，樣機(jī)能夠穩(wěn)定輸出電壓，電壓紋波較小，電源整機(jī)效率得到提高，性能滿足設(shè)計(jì)要求。可見，使用開關(guān)管代替續(xù)流二極管構(gòu)成同步整流電路，減少了開關(guān)損耗，提高了電源效率。本文所設(shè)計(jì)的車用開關(guān)電源具有較強(qiáng)的實(shí)用性和良好的推廣價(jià)值。

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（責(zé)任編輯：鄧 彬）

On the Automotive Switching Power Supply Based on LM25116

REN Yuhan，WEN Dingdu，PI Songtao
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

A kind of automotive switch power supply, which is based on LM25116, has been designed, with 24 V its input DC voltage, and 12 V its output DC voltage. By adopting BUCK circuit topological structure, the system substitutes MOS tubes with lower impedance for the traditional diodes, thus achieving the synchronous rectification and improving the efficiency of the power output. A thorough analysis has been made of the working principles of the main circuit, the control and drive circuit. The experimental results show that a stable output voltage can be achieved, with an output efficiency even higher than 90%, an indication that its function and performance meet the design requirements.

LM25116；automotive switch power supply；synchronous rectification

U463.63

A

1673-9833(2016)05-0051-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.05.011

2016-06-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61503131），湖南省教育廳科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目（14C0327）

任于涵（1994-），男，安徽宿州人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)，E-mail：1398098111@qq.com