劉璐 顏雁軍 王明潔 楊麗

摘要：開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比，維持輸出穩(wěn)定電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC芯片和MOSFET開關(guān)管構(gòu)成。本文采用TI公司的LM5117芯片和CSD18532KCS MOS場效應(yīng)管為核心，設(shè)計了一款降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源，該電源利用LM5117的穩(wěn)壓功能，設(shè)置恰當?shù)姆答侂娮柚担瑢?6V的輸入電壓，通過LM5117芯片及外部電路輸出穩(wěn)定的5V、3A。此設(shè)計實現(xiàn)了輸出紋波噪聲控制在50mV以內(nèi)；從滿載至輕載（20%滿載）的條件下，負載調(diào)整率低至2.66%；在輸入電壓13.6V至17.6V的變化范圍內(nèi)，電壓調(diào)整率低至0.04%。該電路還有限流和限壓保護設(shè)計，增加了電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對開關(guān)電源的設(shè)計和制作具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：降壓型直流開關(guān)電源；LM5117；CSD18532KCS場效應(yīng)管；限流保護

0.引言：隨著便攜式電子產(chǎn)品在通信、計算機及消費電子等領(lǐng)域的不斷增長。電力電子技術(shù)得到迅速發(fā)展。而DC-DC開關(guān)電源因為其重量輕、效率高、功耗小、體積小、穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。隨著工藝制造水平的提高，開關(guān)電源正逐漸向高頻化進軍，高頻化使得開關(guān)電源小型化，從而可以進入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。目前市場上出售的開關(guān)電源一般是采用雙極性晶體管制成的開關(guān)頻率在100KHz左右的電源，以及用MOSFET制成的500KHz電源。但是這樣的頻率還遠遠不夠，當前未來開關(guān)電源的發(fā)展方向主要是高可靠、高頻、低噪聲、低功耗、抗干擾和模塊化。本設(shè)計雖然效率一般，但是減小了紋波，并且加入了限流電路，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.降壓型DC-DC開關(guān)電源原理

1.1降壓型DC-DC開關(guān)電源的組成。

其中開關(guān)調(diào)整元件MOSFET，它的導(dǎo)通和關(guān)斷由PWM控制信號決定。電感L為儲能元件、電容C為濾波元件。當開關(guān)管截止時，二極管VD可以保持輸出電流連續(xù)，所以稱為續(xù)流二極管?？刂菩盘柺归_關(guān)管VT導(dǎo)通時，濾波電感L中的電流逐漸增加，儲能逐漸增大。當控制信號使開關(guān)管關(guān)斷時，電感L中的電流將減少，L兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電壓使二極管VD導(dǎo)通，電感L儲存的能量通過續(xù)流二極管傳輸?shù)截撦d，當控制信號周期足夠小就可以通過控制開啟關(guān)斷VT的時間來控制輸出電壓的大小。

1.2控制信號：控制信號類型按照原理來分大致有三種：1）脈沖寬度調(diào)制（PWM），固定開關(guān)頻率，通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)占空比，穩(wěn)定輸出電壓。優(yōu)點是方便控制，缺點是輸出電壓不能寬范圍調(diào)節(jié)，而且要防止空負載?，F(xiàn)在大多數(shù)的集成開關(guān)電源芯片都是采用的脈沖寬度調(diào)制，該設(shè)計采用的LM5117芯片就是使用的脈沖寬度調(diào)制。2）脈沖頻率調(diào)制（PFM），將脈沖寬度固定，通過改變開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)占空比，穩(wěn)定輸出電壓。脈沖頻率調(diào)制的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍很寬，而且可以不接負載。3）混合調(diào)制，是指脈沖的頻率和寬度都不固定，可以改變的調(diào)制方式。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1系統(tǒng)總體框圖

3.穩(wěn)壓電路設(shè)計分析與運算

LM5117內(nèi)部雖然集成了許多運算放器，但要實現(xiàn)它的功能，仍需要配置相應(yīng)的外圍電路，比如配置定時電阻RT來設(shè)置開關(guān)頻率；還有電流檢測電阻RS、輸出電感L0、斜坡電容CRAMP和斜坡電阻RRAMP等。下面就是對此設(shè)計需要用到的配置電路元件的具體描述。

3.1定時電阻

開關(guān)電源選擇一個合適的開關(guān)頻率是十分重要的，開關(guān)頻率越高，開關(guān)電源就可以做的更小，提高效率，減少紋波，但是太高的開關(guān)頻率會使MOS管的損耗增加，使得效率下降。綜合考慮此設(shè)計的電路工作效率和電壓紋波的大小，最終選擇開關(guān)頻率FW為425KHz。在這樣的開關(guān)頻率下，電路工作效率能滿足85%以上，噪聲紋波也在50mv以下，其定時電阻Rt計算公式如下：

選定了11.3k?的標準值。

3.2輸出電感

輸出電感是儲能元件，IPP是電感峰-峰紋波電流值，IPP（MAX）是峰峰電流值的最大值，可以在20%至 40%的滿載電流（3A）之間選擇?？紤]到電感銅損和磁芯損耗。這里選擇IPP（MAX）為滿載電流3A 的 40%。開關(guān)電源的最大輸入電壓VIN（MAX）為17.6V。電感值可以用以下公式計算：

4.測試結(jié)果及其分析

4.1測試分析

1）由測試的結(jié)果可知，輸出的電壓可以穩(wěn)定在5V左右，但是會有60mv的誤差，這是由于電容存在充電的過程，解決的辦法是減少反饋端的電阻就可以讓電壓重新回到5V

2）最大輸出電流反映的是開關(guān)電源帶負載的能力。本設(shè)計能達到3.11A

3）帶載輸出的紋波有30mv的波動。其主要原因是走線的線寬太小和走線過長，包括電感值大小、走線方向、布局這些因素都會對輸出的電壓波形產(chǎn)生巨大的干擾

4）負載調(diào)整率是開關(guān)電源在帶負載情況下的穩(wěn)壓的能力。開關(guān)頻率的大小會影響負載整率，開關(guān)頻率越大效率越高但是帶負載能力下降，開關(guān)頻率越小效率越低但是帶負載能力上升。本設(shè)計達到了2.6%的負載調(diào)整率。

5）電壓調(diào)整率是體現(xiàn)了開關(guān)電源的穩(wěn)壓能力，在輸入電壓在17.6V到13.6V變化的時候穩(wěn)壓輸出的能力。本設(shè)計電壓調(diào)整率幾近于零。

6）開關(guān)電源的效率主要是計算額外損耗的大小，在本系統(tǒng)中最主要的就是mos管的損耗。本設(shè)計效率達到85%以上

7）過流保護電流的大小取決于采樣電阻的大小，采樣電阻越大，過流保護電流越小。設(shè)計設(shè)置的是3.15A的過流保護電流。

參考文獻：

[1]侯清江，張黎強，許棟剛.開關(guān)電源的基本原理及發(fā)展趨勢探析[J].制造業(yè)自動化，2010，32（9）：160-162

[2]脫立芳.降壓型PWM DC-DC開關(guān)電源技術(shù)研究 [D].西安：西安電子科技大學(xué)，2008

作者簡介：劉璐（1997-），女，本科，學(xué)生，主要研究方向：系統(tǒng)電路設(shè)計。顏雁軍（1996-），男，本科，學(xué)生，主要研究方向：開關(guān)電源設(shè)計。王明潔（1996-），男，本科，學(xué)生，主要研究方向：模擬集成電路。楊麗（1997-），女，本科，學(xué)生，主要研究方向：測試分析。

基金：2017年成都理工大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（項目編號：201710616005）。