劉 昶，張 赟

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048）

LM5009的研究與應(yīng)用電路設(shè)計

劉 昶，張 赟

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048）

為了滿足對于各種電壓等級的電源日益增長的需求，本文基于高性能降壓芯片LM5009設(shè)計了一款直流輸入電壓為10 V到90 V，直流輸出為19 V，輸出電流為50 mA的BuckDC-DC電路，介紹了LM5009的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其各部分功能。并通過具體的實驗，驗證了該電路的工作原理以及LM5009在電路中的具體用法，得到了19 V的直流穩(wěn)定輸出。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有寬范圍輸入電壓、輸出電壓穩(wěn)定的特點，達到了設(shè)計要求。

Buck電路；LM5009；DC-DC

近些年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展及技術(shù)的進步，各類消費電子產(chǎn)品層出不窮，從人們現(xiàn)在每天都要使用的智能手機，到很多家庭都使用的平板電腦，筆記本電腦，這些設(shè)備都要使用各種電壓等級的電源[1-4]。為了使這些設(shè)備小型化、便攜化、低成本、高集成度、寬輸入[5-7]，需要使用具有這些特點的電壓轉(zhuǎn)換芯片，而LM5009恰能滿足這些要求。

1 LM5009芯片簡介

LM5009是美國國家半導(dǎo)體（National Semiconductor）公司（現(xiàn)被德州儀器TI收購）推出的一款低成本、高效率、寬輸入電壓范圍的降壓開關(guān)穩(wěn)壓芯片，能夠提供150 mA的輸出電流，當(dāng)輸入電壓在9.5～95 V之間時均可正常工作。開關(guān)頻率可以超過600 kHz，輸出電壓可以在2.5～85 V之間自由設(shè)置。該芯片內(nèi)部集成有N溝道開關(guān)管和啟動穩(wěn)壓器，具有電流限制保護、熱關(guān)斷保護，可以由外部關(guān)斷控制。提供有MSOP和LLP兩種封裝形式，均為小型貼片式封裝，外圍電路簡單，可以滿足各種產(chǎn)品對于小型化、便于攜帶、集成度高的要求。

LM5009可以應(yīng)用于12 V，24 V，36 V和48 V的交流整流系統(tǒng)，42 V汽車電源總線，LED電流源等。

2 Buck電路的工作原理

由于LM5009是基于Buck電路完成降壓功能的，如圖1所示，現(xiàn)將Buck電路的主要工作原理介紹如下[8-10]。

Buck電路的功能是將輸入的高壓降為低壓，如圖所示，包括開關(guān)管S，進行能量傳遞和濾波作用的電感L和電容C，以及續(xù)流二極管VD[11-12]。

圖1 Buck變換器電路圖

對于Buck變換器，工作在不連續(xù)模式時，電路分析較為復(fù)雜，在此僅對其連續(xù)工作模式進行分析，在此模式下又有兩種工作狀態(tài)[13-15]，如下：

3 芯片內(nèi)部電路及各部分功能

LM5009的工作是基于開通時間與輸入電壓成反比的遲滯控制方案，該特性可以在負載和輸入電壓變化時保持工作頻率的相對穩(wěn)定。遲滯控制不需要環(huán)路補償，所以LM5009具有超快速的瞬態(tài)響應(yīng)能力。圖2為芯片的內(nèi)部電路及它的典型應(yīng)用電路。

圖2 LM5009內(nèi)部結(jié)構(gòu)及典型應(yīng)用

該芯片內(nèi)部包含有一個100 V的N溝道開關(guān)管，7 V穩(wěn)壓器（7Vseriesregulator），過熱保護電路（thermalshutdowncircuit），Vcc 欠壓鎖定（UVLO），柵極驅(qū)動欠壓鎖定（Gatedriveunder-voltagelockout），最大占空比限制定時器（MaxDutyCyclelimittimer），過電壓比較器（over-voltagecomparator），最小關(guān)斷時間定時器（minimumoff-timer），調(diào)節(jié)比較器（regulationcomparator），電流限制關(guān)斷時間定時器（currentlimitoff-timer），電位轉(zhuǎn)換電路（levelshift），電流檢測電路（buckswitchcurrentsense）。

3.1 調(diào)節(jié)比較器及過電壓比較器

LM5009的控制是基于一個調(diào)節(jié)比較器，輸出電壓反饋（FB）與內(nèi)部參考電壓（2.5 V）作比較。如果FB水平低于參考電壓，則開關(guān)管開通，直到FB高于參考電壓為止。開通時間由輸入電壓和Ron電阻決定。這里需要注意的是必須保證開關(guān)管的關(guān)斷時間不小于300 ns。同時芯片內(nèi)部還有一個過電壓保護比較器，當(dāng)FB大于2.875 V時，開關(guān)管將立刻截止，這種情況一般發(fā)生在輸入電壓或輸出負載突然變化的情況下。當(dāng)FB再次小于2.5 V時，開關(guān)管會再次開啟。

3.2 高電壓啟動穩(wěn)壓器

LM5009內(nèi)部包含有一個高電壓啟動穩(wěn)壓器，輸入腳VIN可以正常工作的電壓可以達到95 V，瞬態(tài)電壓可以達到100 V。該穩(wěn)壓器內(nèi)部電流限制為9.5 mA。通電后，電流流入VCC的外部電容C3，當(dāng)VCC上的電壓達到6.3 V的欠壓鎖定值時，開關(guān)管才可以導(dǎo)通。

3.3 電流限制關(guān)斷時間定時器

當(dāng)芯片內(nèi)部的開關(guān)管電流超過0.31 A時，開關(guān)管會立刻關(guān)斷，這時關(guān)斷時間定時器啟動，而關(guān)斷時間則是由外部電阻Rcl和VFB決定。當(dāng)VFB=0時，有最大關(guān)斷時間為35 μs。

3.4 開關(guān)管驅(qū)動電路

驅(qū)動電路會與外部自舉電容C4和內(nèi)部高壓二極管一起工作。在BST腳和SW腳之間接一個0.1 μF的陶瓷電容C4，該電容會在開關(guān)管開通時給驅(qū)動電路提供電壓。在開關(guān)管關(guān)斷時，C4通過Vcc和二極管充電。

開關(guān)管關(guān)斷后，續(xù)流二極管D1會給電感電流提供通道，D1應(yīng)為快恢復(fù)或肖特基二極管，以最大限度地減少導(dǎo)通損耗和尖峰電流。

4 實驗電路原理圖及參數(shù)計算

本次實驗參數(shù)設(shè)置如下：輸入電壓：10 V到90 V；輸出電壓：19 V；輸出電流：50 mA

1）反饋電阻R1和R2

2）fS和 RON

3）電感 L1

4）C3

在VCC腳上接的電容C3不僅可以過濾噪聲和濾波，還可以防止在驅(qū)動電路上的欠壓鎖定誤觸發(fā)，因此C3的值應(yīng)不低于0.1 μF。

5）RCL

6）續(xù)流二極管D1

續(xù)流二極管D1應(yīng)采用快恢復(fù)或肖特基二極管，其正向壓降約為0.7 V左右，這里采用FR107，LM5009的實驗原理圖如圖3所示。

圖3 LM5009原理圖

5 實驗結(jié)果

根據(jù)以上的設(shè)計，設(shè)計出了一款基于LM5009的降壓轉(zhuǎn)換電路。經(jīng)實驗驗證該電路拓撲性能良好，輸出結(jié)果穩(wěn)定。圖4為空載時電路的輸出波形，圖5為帶負載時電路的輸出波形。

圖4 空載時電路的輸出波形

圖5 帶負載時電路的輸出波形

6 結(jié) 論

文中介紹了LM5009的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其各部分功能，之后介紹了Buck電路的基本原理，并基于LM5009設(shè)計了一款降壓電路，達到了較為理想的結(jié)果。但如果要在工程實踐中進行廣泛應(yīng)用的話，還需要進一步改進輸出性能以滿足工程實踐要求。

[1]周志敏，周紀海.開關(guān)電源使用技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[2]劉勝利.高頻開關(guān)電源實用新技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[3]劉賢興，李眾.新型智能開關(guān)電源技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[4]孫博，曹倩，張艷.開關(guān)電源的應(yīng)用及發(fā)展動向[J].信息技術(shù)與信息化方案與應(yīng)用，2011（4）：57-59.

[5]王立偉，劉孝祖，賁洪奇.適合地下工作的寬范圍輸入直流穩(wěn)壓電源的研制[J].通信電源技術(shù)，2009，26（2）：10-13.

[6]熊才偉，朱永亮.超寬范圍輸入電壓Buck變換器設(shè)計[J].電力電子技術(shù)，2011，45（9）：58-60.

[7]周香.寬范圍輸入DC/DC變換器的研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2013.

[8]張維，宣榮喜．單端反激式開關(guān)電源研究與設(shè)計[D]．西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

[9]羅明.PWM模式下BUCK電路分段驅(qū)動的研究與設(shè)計[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

[10]龔偉家.基于BUCK電路的數(shù)字DC/DC變換器[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

[11]潘小波，寧平華，夏興國.BUCK電路的狀態(tài)分析與仿真研究[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015（3）：33-38.

[12]鄭鵬程，石玉，周立文，等.基于MATLAB的DC/DC變換器設(shè)計與閉環(huán)仿真[J].磁性材料及器件，2011（4）：63-66.

[13]王立.數(shù)字控制的BuckDC-DC變換器研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2010.

[14]楊澤軒，鄭建立.基于MATLAB的BUCK電路設(shè)計與PID閉環(huán)仿真[J]. 信息技術(shù)，2015（10）：155-158，163.

[15]王釗，張奇志.基于Buck電路的直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[J].煤礦機電，2013（1）：22-24.

The research and application circuit design based on LM5009

LIU Chang，ZHANG Yun
（School of Electric and Information，Xi'an Polytechnic University，Xi'an 710048，China）

In order to meet the growing demand for avariety of voltag elevels of power.This paper design a DC input voltage 10 V to 90 V，output DC 19 V and output current of 50 mA buck DC-DC circuit based on the high performance buck chip LM5009，introducing the internal structure of the LM5009 and its functions.Through the concrete experiment，verified the circuit working principle and the concrete usage of LM5009 in the circuit，obtained the 19V DC stable output.The experimental results show that the system has a wide range of input voltage，output voltage stability characteristic，has reached the design requirements.

Buck circuit；LM5009；DC-DC

TN409

：A

：1674－6236（2017）13-0166-04

2016-05-05稿件編號：201605040

劉 昶（1991—），男，陜西西安人，碩士研究生。研究方向：電子變換與傳動。