中國船舶重工集團公司第七一五研究所第三研究室 郭石壘

基于LM5041的新型級聯(lián)DC-DC電源

中國船舶重工集團公司第七一五研究所第三研究室 郭石壘

電子行業(yè)的迅速發(fā)展，用電設(shè)備對電源的要求越來越高，電源朝著高頻化、微型化、高效數(shù)字化的開關(guān)電源的方向發(fā)展，文中介紹一種基于TI公司的LM5041芯片的級聯(lián)型電路結(jié)構(gòu)，集合降壓拓撲和推挽拓撲結(jié)構(gòu)，Buck電路和推挽電路的優(yōu)點。

級聯(lián)DC-DC；LM5041；Buck；Push-Pull；LM5102

0 引言

開關(guān)電源按輸出與輸入隔離和非隔離區(qū)分電路拓撲結(jié)構(gòu)，輸出與輸入非隔離的有降壓型的Buck電路、升壓型的Boost電路和輸出輸入電源反向的Buck-Boost電路（即可升壓也可降壓），輸出輸入隔離的電源拓撲結(jié)構(gòu)以反激拓撲、正激拓撲、推挽拓撲、半橋拓撲、全橋拓撲為主，隔離和非隔離的電路拓撲結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定。

本文利用TI公司的級聯(lián)型PWM控制芯片LM5041分析設(shè)計低壓大電流電源，兼顧Buck電路的穩(wěn)定性、參數(shù)計算簡潔性，同時兼顧推挽電路的低壓大電流特性。文中利用MOSFET替代Buck電路的續(xù)流二極管，降低功耗，輸出采用同步整流方式，相對二極管整流進一步降低了輸出損耗。

1 電路框圖

1.1 電路拓撲結(jié)構(gòu)

電路采取有LM5041和半橋門極驅(qū)動芯片LM5102組成，LM5102負責放大LM5041產(chǎn)生的信號，驅(qū)動Buck電路，LM5041輸出的推挽PWM信號直接驅(qū)動推挽拓撲結(jié)構(gòu)的門極[1-2]。電路框圖如圖1。

圖1 級聯(lián)DC-DC電路框圖

1.2 LM5041簡要介紹

LM5041作為新型的級聯(lián)PWM控制芯片，輸入電壓Vin電壓范圍，反饋電壓門限值，內(nèi)部生成5V/10mA的參考電壓，產(chǎn)生兩路用于驅(qū)動Buck開關(guān)信號和同步控制續(xù)流的信號，產(chǎn)生兩路驅(qū)動能力1.5A的推挽PWM信號。

圖2 LM5041芯片管腳

表1 LM5041管腳介紹

1.3 LM5102簡要介紹

LM5102是一款驅(qū)動電壓100V半橋上下橋臂開關(guān)管的芯片，可以設(shè)置高端和低端驅(qū)動信號的上升沿延時或者死區(qū)。

表2 LM5102管腳介紹

圖3 LM5102管腳圖

2 電路設(shè)計分析

整個電路可以分為兩部分組成，一部分按Buck降壓電路設(shè)計，產(chǎn)生直流電壓Vo1，第二部分按推挽電路設(shè)計，兩個電路的PWM開關(guān)頻率一致。

2.1 Buck電路拓撲分析

按照輸出電壓Vo1大小，參照Buck電路[3-4]，可計算輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系，Buck電路拓撲如圖4。

圖4 Buck電路簡圖

2.2 推挽電路拓撲分析

推挽電路設(shè)計參考推挽電路框圖，推挽拓撲MOSFET漏源極電壓為兩倍輸入電壓即2Vin，選取MOSFET開關(guān)管注意開關(guān)管最大電壓。推挽拓撲如圖4所示。

圖5 推挽拓撲結(jié)構(gòu)圖

在電路中把輸出整流二極管換做MOSFET管，次級兩個輸出線圈的異名端驅(qū)動另一線圈的整流MOSFET的門極（電壓低于18V），可等效于同步整流，減小低壓大電流的輸出損耗。

3 總結(jié)

采用LM5041設(shè)計級聯(lián)DC-DC電源，用同一塊電源芯片產(chǎn)生四路驅(qū)動信號，兩路Buck驅(qū)動信號，兩路推挽驅(qū)動信號，采用統(tǒng)一工作頻率，可以應(yīng)用在電壓波動范圍比較大，輸出要求穩(wěn)定的場合。

級聯(lián)DC-DC電源控制芯片，改進了電源的設(shè)計思路，可以更好地兼顧不同電源拓撲的優(yōu)點，設(shè)計穩(wěn)定、高效開關(guān)電源。

[1]TI．LM5041 Cascaded PWM Controller

[2]TI．AN-1299 LM5041 Evaluation Board．

[3]Abraham I．P,Keith B,Taylor M．開關(guān)電源設(shè)計[C]．北京：電子工業(yè)出版社,2010．

[4]張占松,蔡宣三．開關(guān)電源的原理與設(shè)計[M]．北京：電子工業(yè)出版社,2001．

郭石壘，男，山東菏澤人，研究生學歷，工學碩士，現(xiàn)供職于中國船舶重工集團公司第七一五研究所，研究方向：開關(guān)電源。