江蘇信息職業(yè)技術學院電子信息工程學院 祝淇舒 陸淵章

基于CMOS工藝的BUCK型DC-DC穩(wěn)壓器設計

江蘇信息職業(yè)技術學院電子信息工程學院 祝淇舒 陸淵章

本論文通過對BUCK型DC-DC穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換機理的研究，,對DC-DC穩(wěn)壓器進行了電路設計與PCB設計，并對此進行理論計算和進行實際數(shù)據(jù)測量。電路設計采用LM5117作為核心，用于降壓控制器，利用TI公司基于CMOS工藝的 CSD18532KCS調(diào)節(jié)電路，實現(xiàn)16V到5V DC-DC轉(zhuǎn)換，控制輸出電流范圍在0～3A。

DC-DC穩(wěn)壓器；LM5117；CSD18532KCS ；BUCK電路

0 引言

DC-DC穩(wěn)壓器是能為負載提供DC電源的電子裝置。當交流供電電源的電壓或負載電阻發(fā)生變化時，穩(wěn)壓器的DC輸出電壓會保持穩(wěn)定。具有電壓調(diào)整率低，響應快，負載調(diào)整率低，高效，輕量，輸出紋波小等優(yōu)點。本文通過對降壓型DC-DC穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換機理的研究，,對DC-DC穩(wěn)壓器進行了電路設計與PCB設計，并對此進行理論計算和進行實際數(shù)據(jù)測量。,電路設計采用LM5117作為核心，用于降壓控制器，利用TI公司的基于CMOS工藝的 CSD-18532KCS調(diào)節(jié)電路，實現(xiàn)16V到5V DC-DC轉(zhuǎn)換，控制輸出電流范圍在0～3A。

1 方案論證

1.1 變換電路方案

變壓器變換電路方案共有兩種方案，其一為間接DC變流電路，其一為直接DC變流電路即BUCK電路。

間接DC變流,其轉(zhuǎn)換原理為直流電路輸入進入逆變電路，變?yōu)榻涣?，再進入變壓器轉(zhuǎn)換為交流后整流濾波，得到最終的直流?？蓪崿F(xiàn)輸入輸出的隔離，適用于需要輸入電壓極大輸出電壓極小，或輸入電壓極小輸出電壓極大的情況。如圖1所示：

圖1 間接直流變流電路

圖2 BUCK型開關電源的拓撲結構

BUCK電路為降壓式變換電路，可等效地分為開關管ON電路和開關管OFF電路。開關受外部的PWM信號控制，通過改變其占空比從而實現(xiàn)電壓輸出時的變化。開關管ON狀態(tài)時， Vin給電感充電，同時向負載供電，此時電感上電流增大。開關管OFF狀態(tài)時，由電感來維持Iout，電感處于放電狀態(tài)。如圖2所示。

BUCK電路要選擇ESR小,工作紋波電流大的電解電容作為輸出電容。以輔助來平滑紋波電流引起的輸出電壓的紋波。另外，根據(jù)負載的發(fā)生的大小變化，BUCK電源將會產(chǎn)生兩種狀態(tài)，即CCM與DCM狀態(tài)。在CCM下，電感電流在整個周期內(nèi)連續(xù)。

在DCM下，在整個周期內(nèi)，電感電流不連續(xù)。

BUCK電路相對于間接直流變換電路的多次轉(zhuǎn)換，大損耗，低效率具有明顯優(yōu)勢。結構更為簡單，損耗更低，效率更高，是為達到本設計目的的最佳選擇。

1.2 穩(wěn)壓控制方案

穩(wěn)壓控制可分兩個方案，一為采樣負載電流，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入到單片機，使用單片機來產(chǎn)生PWM波，當電壓達到一定的數(shù)值時，由單片機控制開關導通或截止，形成一定的過流保護。

二為采用可同步降壓控制器LM5117，其工作頻率在 50 kHz 至750 kHz ，5.5V至65V的范圍內(nèi)設定。不僅具有模擬電流監(jiān)視器功能，且寬輸入范圍。LM5117擁有獨立的斜坡發(fā)生器，用于采樣、維持直流電平與仿真電感電流斜坡，即重建由高邊開關電流信號。

PWM的斜坡信號由電感器電流提供，LM5117對輸出電流進行取樣后，反饋至芯片F(xiàn)B端，與基準電壓進行比較放大，以達到控制PWM占空比的目的，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓控制。而實現(xiàn)這些依靠于LM5117內(nèi)部的誤差放大器與PWM比較器，此控制方式具有固有輸入電壓反饋、簡化環(huán)路補償、逐個周期電流限制功能。仿真控制斜坡降低脈寬調(diào)制模塊對噪聲敏感度，益于實現(xiàn)高輸入電壓的應用的可靠控制。

一方案由軟件實現(xiàn)，但控制算法復雜，反應慢，輸出電壓無法保證穩(wěn)定性，也較難實現(xiàn)，二方案采用方式簡單，反應快速，輸出穩(wěn)定，因此設計選擇方案二。

1.3 DC-DC變換

DC-DC變換即把直流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定且不同的電壓輸出直流電。在此設計中將采用脈寬調(diào)制PWM方式，利用TI公司的基于CMOS工藝的 CSD18532KCS調(diào)節(jié)電路。CMOS即增強型MOS，電路將一個增強型P溝道MOS與一個增強型N溝道MOS結合一起使用。輸入為低電平時，增強型P溝道MOS導通，輸出與+VCC接通。輸入為高電平時，增強型N溝道MOS導通，輸出與GND接通，基于CMOS工藝進行工作，能夠獲得較大的電流輸出。CSD18532KCS與LM5117結合，構成BUCK電路，最終實現(xiàn)DC-DC變換。

2 硬件電路單元設計

本設計采用場效應管CSD18532KCS，LM5117降壓控制器（外部開關）為核心，輔以LM358（雙運算放大電路）和LM7805（三段穩(wěn)壓器）。

2.1 DC-DC轉(zhuǎn)換電路

DC-DC轉(zhuǎn)換電路如圖3所示：

圖3 DC-DC轉(zhuǎn)換電路

基本補償網(wǎng)絡、反饋分壓模塊、LC濾波電路單元、穩(wěn)壓模塊這四個部分共同組成DC-DC轉(zhuǎn)換電路。LM5117作為核心，用于降壓控制器， CMOS工藝的 CSD18532KCS為調(diào)節(jié)電路，輔以雙運算放大電路LM358和三段穩(wěn)壓器LM7805。

2.2 反饋分壓模塊

反饋分壓模塊存在于LM5117的LLP引腳8 FB與LLP引腳9 COMP之間，LLP引腳9為內(nèi)部誤差放大器輸出端。此引腳與LLP引腳8之間的為環(huán)路補償網(wǎng)絡，串聯(lián)一電阻與電容，并聯(lián)一電容，從而達到反饋分壓的目的。如圖4所示：

圖4 反饋分壓模塊

2.3 LC濾波電路單元

電感紋波的電流引起輸出電壓的紋波可由輸出電容器來平滑。對于該設計，在電路中加入了一個ESR為20mΩ，470μF的電解電容即圖示中C11為主要輸出電容。以輔助來平滑紋波電流引起的輸出電壓的紋波。如圖5所示：

圖5 LC濾波電路單元

2.4 穩(wěn)壓模塊

穩(wěn)壓模塊采 用三端電壓穩(wěn)壓器78M05，此三端穩(wěn)壓器輸出電壓為5V，輸出電流max為500mA，輸入偏置電流classic為3.2mA，輸入電壓max為35V，并且具有過流過熱關斷保護功能。此處在其左右并聯(lián)兩個0.1μF電容即C24，C25減小干擾，進行濾波。如圖6所示：

圖6 穩(wěn)壓模塊

3 數(shù)據(jù)測試

3.1 電壓偏差測試

調(diào)整直流穩(wěn)壓電源額定，輸入電壓大小為16V，測試輸出電壓大小，進行計算。

序號 額定輸入電壓 額定輸出電壓 實際輸出電壓 偏差1 15.9V 4.98V 5V 20mv

△Uo|=|5v-Uo|=20mV電壓偏差可小于100mV。

3.2 額定輸入電壓條件，最大輸出電流

序號 額定輸入電壓 最大輸出電流1 15.9V 3.3A

Io≥3A，可獲得大于3A的最大輸出電流。

3.3 紋波電壓測試

數(shù)字示波器接入輸出端測試輸出噪聲紋波電壓的峰峰值。

序號 電壓峰峰值1 15mv

輸出噪聲文波電壓峰峰值：

UOPP=15mv≤ 50mV(UIN=16V,Io=Iomax)。

3.4 負載調(diào)整率測試

調(diào)整串聯(lián)于輸出端的滑動變阻器，使得輸出端有從輕載到滿載的一個過程。并且用數(shù)字電萬用表測量輸出端的滿載電壓Uo滿載，以及輸出端的輕載電壓Uo輕載，計算數(shù)據(jù)。

序號 Iomax Uo滿載 Iomin Uo輕載 負載調(diào)整率1 3A 5.00V 0.6A 4.8V 4%

Io從滿載Iomax變到輕載0.2Iomax時，

3.5 電壓調(diào)整率測試

調(diào)整輸入端電壓到17.6V，用數(shù)字萬用表測試輸出電壓Uo17.6V，調(diào)整輸入端電壓到13.6V，用數(shù)字萬用表測試輸出電壓Uo13.6V，分別計算Uo17.6V與Uo13.6V和之前測得的Uo16v的差值，選其中的最大值，再根據(jù)公式計算。

序號 Uo變化 電壓調(diào)整率1 |Uo17.6V-Uo16V| 4.95V-4.9V 0.405% 2 |Uo16v-Uo13.6V| 4.93V-4.9V 0.405%

UIN變化到17.6V和13.6V，電壓調(diào)整率：

3.6 效率測試

經(jīng)測試，此設計的效率可達85%。

4 結語

本設計詳細地講述了降壓型直流開關穩(wěn)壓電源的整個設計與實現(xiàn)，從變換電路方案與穩(wěn)壓控制方案的論證，到方案的理論角度的原理與公式分析，再到DC-DC轉(zhuǎn)換電路、反饋分壓模塊、LC濾波電路單元、穩(wěn)壓模塊的電路設計。同時，通過對電壓偏差值、輸出最大電流、紋波電壓等參數(shù)的測試，證實了本設計的可行性并且反映了本設計的精確程度。

總之，DC-DC穩(wěn)壓器無可厚非，是我們不管是現(xiàn)在還是將來，都是不可缺少的。在研究與發(fā)現(xiàn)上還具有很大的空間與價值。

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祝淇舒（1995—），現(xiàn)就讀于江蘇信息職業(yè)技術學院，主要研究方向：應用電子技術。

陸淵章（1981—），江蘇信息職業(yè)技術學院副教授，主要研究方向：應用電子技術。