鄒林甫 南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 馬意彭 南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

基于LM5117的5V開關(guān)電源的研究

鄒林甫 南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 馬意彭 南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

近年來開關(guān)電源依托其體積小，易攜帶等特點(diǎn)應(yīng)用愈發(fā)廣泛，滲透到我們生活的各個(gè)部分。本文，從當(dāng)前電子電力發(fā)展趨勢(shì)出發(fā)，以德州儀器LM5117芯片為例，詳細(xì)介紹降壓型開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。從降壓Buck電路，到MOS管驅(qū)動(dòng)原理及輸出電路等方面向讀者做詳細(xì)的說明。

LM5117 開關(guān)電源 降壓

1 前言

開關(guān)電源，顧名思義就是通過控制器(IC)控制開關(guān)管(MOS)的通斷時(shí)間，來控制輸出電壓。它能將廣泛存在于各種電能設(shè)備的粗電，轉(zhuǎn)換為能供特定設(shè)備使用的精電。不僅在汽車電子，空調(diào)設(shè)備，電子音像等家用設(shè)備中應(yīng)用廣泛，而且在通信設(shè)備，數(shù)控機(jī)床，醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域大量使用，可以說，開關(guān)電源作為電源的一種形式在我們生產(chǎn)生活中有著不可或缺的作用。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 Buck電路

開關(guān)電源的電路種類很多，從結(jié)構(gòu)上有隔離式和非隔離式。從功能上，又可分為升壓斬波、降壓斬波和升降壓斬波電路。本文主要介紹一種典型的降壓斬波電路，又叫做Buck電路。如圖1。

圖1 Buck電路

t=0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，直流電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升t=t1時(shí)刻控制V關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小通常使串接的電感L值較大。當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，uo與E有以下關(guān)系，一般通過脈沖寬度調(diào)制波形(PWM)來控制開關(guān)管的通斷。

本文所使用的控制器LM5117就是能根據(jù)電路輸出電壓反饋，自動(dòng)的產(chǎn)生合適的PWM來控制開關(guān)管的通斷。LM5117支持5．5-65V的寬電壓輸入范圍，基本滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景。

2.2 應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

了解了降壓斬波電路的基本原理，我們進(jìn)入實(shí)際的電路設(shè)計(jì)部分。LM5117芯片的詳細(xì)介紹，這里不再贅述，想深入了解的讀者可自行到網(wǎng)站下載。下面我們根據(jù)芯片典型應(yīng)用電路的架構(gòu)，以及芯片手冊(cè)所提供的理論值計(jì)算方法，最終確定芯片各引腳參數(shù)設(shè)置。

圖2 LM5117典型電路

UVLO端電壓需要大于1．25V，分壓電阻要根據(jù)輸入電壓確定，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的輸入電壓最大為17．6V，上端電阻R1=56kΩ，下端電阻R2=7．5kΩ；VCCDIS與CM引腳未使用，本例懸空處理；RT引腳可選定50kHz-750kHz之間的工作頻率，頻率高低與產(chǎn)品體積與功耗都有關(guān)系，本例選擇300kHz左右的工作頻率，根據(jù)公式得RT=18．75kΩ；RES引腳電容決定斷續(xù)模式重啟動(dòng)時(shí)間，本例選取標(biāo)準(zhǔn)值0．47uF；SS引腳決定軟啟動(dòng)時(shí)間，即最終達(dá)到輸出電壓穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間，本例采用標(biāo)準(zhǔn)值0．1uF；COMP引腳控制放大器的增益和相位特性，可參考所選定的工作頻率與輸出相位特性，根據(jù)芯片手冊(cè)公式計(jì)算得，C上=62pF,C下=1．5nF，RCOMP=33kΩ；輸出電感與輸出電流和電壓都有關(guān)系，本例輸出電壓5V，滿載流為3A，據(jù)此計(jì)算得電感值為15uH，實(shí)際應(yīng)用過程中可根據(jù)需要調(diào)節(jié)大小，此處可作為參考理論值；RAMP引腳有電感斜坡信號(hào)仿真的作用，電容CRAMP=820pF，電阻根據(jù)公式測(cè)算得RRAMP=40．2kΩ；VCC端電容提供瞬態(tài)電流，可取標(biāo)準(zhǔn)值0．47uF；CHB是自舉電容對(duì)H0端MOS管進(jìn)行充電，CHB質(zhì)量要好，最好是低ESR的陶瓷電容，本例中選擇標(biāo)稱值0．1uF，DHB是一個(gè)自舉二極管，本例選擇肖特基二極管；CS與CSG端的采樣電阻用于電流采樣，一般選取10mΩ；高邊與低邊MOS管有多種選擇，本例選擇csd18532kcs開關(guān)管，最大輸入電壓60V與3．3mΩ的導(dǎo)通電阻，足以滿足設(shè)計(jì)需求；FB是反饋端，決定輸出電壓的大小，符合一定比例關(guān)系，可產(chǎn)生理想電壓，在設(shè)計(jì)時(shí)可加入一個(gè)滑動(dòng)變阻器，利于參數(shù)調(diào)節(jié)，此處選擇R上=4．5kΩ，R下=900Ω。

可能有讀者會(huì)好奇，為什么需要兩個(gè)MOS管。實(shí)際上LM5117是控制芯片，它能根據(jù)使用者的設(shè)計(jì)，自動(dòng)產(chǎn)生合適的PWM驅(qū)動(dòng)MOS管通斷，此處低邊MOS管是替代原理圖中二極管的作用，LM5117可以產(chǎn)生合適的PWM波，使高低邊MOS管交替工作。

3 總結(jié)

3.1 結(jié)果與分析

依據(jù)以上電路設(shè)計(jì)參數(shù)，畫出原理圖、生成PCB、焊接元件進(jìn)行調(diào)試，測(cè)得輸出電壓為5．020V，滿載輸出電流3,001A，滿足設(shè)計(jì)要求。若在調(diào)試中沒有達(dá)到理想結(jié)果，可以先測(cè)ULVO腳電壓是否大于1．25V，再觀察高邊和低邊MOS管的PWM波形。

3.2 問題

本例未加入過流保護(hù)功能，讀者可查閱相關(guān)資料進(jìn)行完善，LM5117預(yù)留了相應(yīng)引腳可進(jìn)行控制，當(dāng)然讀者可以設(shè)置外部電路進(jìn)行電流檢測(cè)與控制。另外，開關(guān)電源的輸出電壓紋波什一項(xiàng)重要指標(biāo)，限于篇幅，這里不再贅述，對(duì)這方面有要求的讀者可根據(jù)需要添加電容濾波。

[1]黃麗亞,楊恒新等.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).第2版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.8

[2]黃麗亞,楊恒新等.數(shù)字電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2015.2