李聚才，劉雪峰

（山西電子科技學(xué)院，山西臨汾，041000）

在當(dāng)代社會電源產(chǎn)業(yè)已變成重要的基礎(chǔ)能源需求與產(chǎn)業(yè)，是整個電子和控制系統(tǒng)的發(fā)展基礎(chǔ)[1]。電源是電子電路和設(shè)備的必要組成部分。所有的電子電路和設(shè)備都需要能夠穩(wěn)定輸出的電源，針對不同的設(shè)備所需要的電源工作狀態(tài)也不一樣。直流穩(wěn)壓電源作為電源產(chǎn)業(yè)的一個重要分支，在工程科學(xué)技術(shù)、科研探索和計(jì)量檢測領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。其中高轉(zhuǎn)化率的直流穩(wěn)壓電源作為發(fā)展的主要方向，在通信、電子以及軍事等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。根據(jù)其工作原理的區(qū)別，可將其分成線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源兩類[2]。開關(guān)穩(wěn)壓電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)控制通斷晶體管開關(guān)狀態(tài)的時間比，保持輸出電壓穩(wěn)定的一種直流電源。開關(guān)電源同時具備三種條件：開關(guān)、高頻和直流[3]。

DC-DC 采用模塊組建電源系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)周期短、系統(tǒng)升級容易、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，應(yīng)用范圍也越來越廣泛。通過DC-DC 變換器搭建的電路具備精度高、抗干擾等特點(diǎn)[4]。將LM5117 作為主控芯片，構(gòu)建起開關(guān)穩(wěn)壓電源能夠完成16V 額定電壓到5V 的轉(zhuǎn)換，輸出波紋低，轉(zhuǎn)化率較高。

1 設(shè)計(jì)方案簡介

LM5117 作為一款高性能的同步降壓控制器，適用于高電壓以及大變化區(qū)間的輸入電源。此芯片具備輸入電壓前饋、簡化環(huán)路補(bǔ)償?shù)裙δ?。此外，?dú)有的熱關(guān)斷、頻率同步以及斷續(xù)模式電流限制等能夠?qū)崿F(xiàn)故障保護(hù)。

方案中利用LM5117 控制電壓相較于傳統(tǒng)Buck 電路來說更為簡潔有效。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)DC-DC 降壓時，采用了PWM 脈寬調(diào)制，穩(wěn)壓輸出后將電流與電壓參數(shù)傳遞到LM5117。單片機(jī)檢測電流參數(shù)，一旦超過額定范圍，過流保護(hù)動作。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 方案論證與計(jì)算

2.1 降低波紋方案

選取適當(dāng)?shù)拈_關(guān)頻率，LM5117 開關(guān)頻率是通過RT引腳和AGND 之間的電阻決定，一般較高頻率體積較小，但往往損耗較大[5]。所以開關(guān)頻率選擇上，需要考量單片機(jī)的工作效率以及開關(guān)器件的損耗情況，將高頻噪聲控制在合理的區(qū)間內(nèi)。通過多次實(shí)驗(yàn)，選定開關(guān)頻率為fk= 230kHz。由于系統(tǒng)中內(nèi)部振蕩器的工作狀況是由RT引腳和AGND 之間的電阻決定。因此在期望的開關(guān)頻率下，計(jì)算得出電阻值為：

2.2 穩(wěn)壓方案

為了獲得設(shè)計(jì)輸出功率，電流取樣SR選值要適當(dāng)。選擇電阻過大時，達(dá)不到要求的輸出功率；選擇電阻偏小時，會導(dǎo)致峰值電流過大，造成電路損耗大甚至可能損壞電路元件。電路計(jì)算得出相應(yīng)的檢測電阻 和斜坡電阻 ：

式中：考慮誤差和波紋電流，最大輸出電流能力IOUT應(yīng)高于所需輸出電流的20%～50%，取IOUT=3A的130%；利用斜坡發(fā)生器構(gòu)成電流檢測電路，選取適當(dāng)?shù)腒值調(diào)節(jié)諧波振蕩。本方案中設(shè)定K= 1以控制次諧波振蕩和實(shí)現(xiàn)單周期阻尼。

通過RS和K值即可求出斜坡電阻RR：

式中：LM5117 采用的是獨(dú)特的斜坡發(fā)生器，仿真電感器的電流為PWM 比較器提供一個斜坡信號，此方案中，設(shè)計(jì)斜坡電容選擇為CR= 820pF；設(shè)定K= 1，以控制次諧波振蕩和實(shí)現(xiàn)單周期阻尼；RS為公式（2）計(jì)算結(jié)果。

2.3 DC-DC 轉(zhuǎn)換方案

利用PWM 脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)DC-DC 轉(zhuǎn)換，達(dá)成系統(tǒng)的數(shù)字化控制。電路FB 引腳上設(shè)置兩個分壓電阻RFB1和RFB2調(diào)節(jié)輸出電壓水平。分壓電阻比影響系統(tǒng)中頻增益，計(jì)算公式如下：

增大RFB2可以降低分壓器功耗，但是需要增加較大的環(huán)路補(bǔ)償電阻。RFB2足夠大才能使得分壓器總功耗很小，因此需要選擇合適的輸出分壓器的RFB1和RFB2，本方案中選定RFB1= 950Ω、RFB2= 499Ω。

2.4 環(huán)路補(bǔ)償計(jì)算

環(huán)路補(bǔ)償是一種在電子電路中用于抵消誤差和干擾的技術(shù)。它通過將一個反饋信號與輸入信號進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果對輸入信號進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對電路性能的優(yōu)化和穩(wěn)定。在現(xiàn)代電子設(shè)備中廣泛應(yīng)用環(huán)路補(bǔ)償技術(shù)，為提高電路的精度、穩(wěn)定性和可靠性起到了重要作用。

本文中在輸出電壓和接地點(diǎn)之間設(shè)置反饋電路和環(huán)路補(bǔ)償，補(bǔ)償電路由電容CCOMP、CHF和RCOMP構(gòu)成，可配置誤差放大器增益和相位特征，以產(chǎn)生一個穩(wěn)定的電壓環(huán)路。補(bǔ)償電阻可由開關(guān)頻率（十分之一）計(jì)算得出fC= 23kHz。

3 系統(tǒng)模塊方案

3.1 過流保護(hù)模塊

過流保護(hù)是一種電流保護(hù)裝置，其作用是在電流超過預(yù)定最大值時觸發(fā)動作。當(dāng)流過受保護(hù)元件的電流超過預(yù)設(shè)值時，保護(hù)裝置會被激活，其作用是確保動作的選擇性，進(jìn)而使斷路器跳閘或發(fā)出報(bào)警信號。這種保護(hù)裝置在許多電子設(shè)備中都存在，因?yàn)樵S多電子設(shè)備都有額定電流，一旦設(shè)備超過這個額定電流，就可能會導(dǎo)致設(shè)備燒壞。因此，這些器件都會做一個過流保護(hù)模塊，當(dāng)電流超過設(shè)定電流時，器件會自動斷電以保護(hù)器件。

本文中LM5117 芯片的CM 端口可以實(shí)現(xiàn)模擬電流檢測，在電路中添加采樣電阻，通過外部采樣電阻通過一定的算法采集轉(zhuǎn)化到系統(tǒng)中的電流值后，將電流參數(shù)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)對該電流值進(jìn)行測定。一旦檢測到的電流超過設(shè)定的過流保護(hù)電流值后，切斷電源，達(dá)成過流保護(hù)目標(biāo)。電流檢測電路和穩(wěn)壓保護(hù)如圖2 所示。

圖2 過流保護(hù)電路

3.2 輸入輸出電路濾波模塊

濾波器是由電容、電感和電阻組成的濾波電路。濾波器可以對電源線中特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除，得到一個特定頻率的電源信號，或消除一個特定頻率后的電源信號。濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分。利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析。

本文中系統(tǒng)輸入電路由輸入端共模電感ACT45B（L2）和電容C5、C6 進(jìn)行濾波，共模電感作為雙向?yàn)V波器，不僅會對傳輸電流形成電磁干擾還會自身產(chǎn)生電磁干擾。選用不同參數(shù)的電容并聯(lián)接地，有效降低輸入直流電壓波紋，并防止高頻干擾。

輸出電路原理如圖3 所示，電感L0 和電容構(gòu)成L-C 濾波電路，同時在電感后并聯(lián)多個接地電容，有效降低輸出電壓波紋，降低電路損耗，抑制高頻噪聲干擾，最大化提升電源效率。

圖3 輸出電路

3.3 環(huán)路補(bǔ)償模塊

輸出電壓VOUT和接地點(diǎn)之間串聯(lián)可變電阻R1P和6R構(gòu)成分壓線路，分壓后經(jīng)由FB 端口傳遞給LM5117 進(jìn)行處理。FB端口和COMP間通過電容C2和C3形成有效的環(huán)路補(bǔ)償。電路原理圖如圖4 所示。

圖4 環(huán)路補(bǔ)償

4 系統(tǒng)方案檢測

4.1 測試流程

系統(tǒng)中需要檢測的參數(shù)有輸出電壓、輸出電流、波紋電壓等。選用精度較高的電子毫伏表、萬用表以及示波器等。分別檢測系統(tǒng)處于空載和滿載兩種情況下的輸出電壓參數(shù)，以此來檢測負(fù)載變化率。將輸入電壓分別設(shè)定為17.6V 和13.6V，通過系統(tǒng)輸出電壓來測定電壓變化率，進(jìn)一步得出系統(tǒng)損失和轉(zhuǎn)化效率。系統(tǒng)測試流程圖如圖5 所示。

圖5 測試流程圖

4.2 測試結(jié)果分析

4.2.1 輸出電壓在滿載和輕載狀態(tài)下的負(fù)載變化率St

系統(tǒng)額定輸入電壓為16V，調(diào)整負(fù)載電阻來改變輸出電流，從而檢測負(fù)載變化對應(yīng)的輸出電壓值，計(jì)算出負(fù)載變化率 ，數(shù)據(jù)見表1。

表1 負(fù)載變化率

由表1 可得負(fù)載變化率St的值。電源負(fù)載的變化會引起電源輸出的變化，負(fù)載增加，輸出降低，反之，負(fù)載減少，輸出升高。實(shí)驗(yàn)過程中St的變 化 值 在3.4%～3.8% 之 間， 在3%～5%范圍內(nèi)，說明電源負(fù)載變化引起的輸出變化較小，電源表現(xiàn)良好。

4.2.2 不同輸入電壓條件的電壓調(diào)整率Sv

電壓調(diào)整率是用來衡量電壓變化對電壓穩(wěn)定性的影響。計(jì)算方式是電壓變化與原始電壓之間的比率，通常以百分?jǐn)?shù)表示，計(jì)算公式如下：

式中：ΔU0max為輸出電壓變化量。試驗(yàn)時設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓為16V，輸出電壓為5V，通過調(diào)壓器調(diào)整輸入電壓參數(shù)，記錄輸出電壓數(shù)據(jù)，見表2。

表2 電壓調(diào)整率

電壓調(diào)整率是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)。如果電壓調(diào)整率過低，則表明電壓變化范圍較小，電力系統(tǒng)比較穩(wěn)定；反之，則表明電壓變化范圍較大，電壓穩(wěn)定性偏差，這會導(dǎo)致電力系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。由表2 可知電壓變化范圍為0.2%～0.4%之間，變化范圍較小，電力系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。

4.2.3 系統(tǒng)效率和過流保護(hù)檢測

系統(tǒng)輸入為額定電壓且滿載狀態(tài)時，調(diào)節(jié)電感和開關(guān)頻率。檢測系統(tǒng)輸出功率并計(jì)算運(yùn)行效率，計(jì)算得出η=92%，可以看出該系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行效率較高。

對系統(tǒng)過流保護(hù)模塊進(jìn)行測試，經(jīng)過多次試驗(yàn)后，得出該系統(tǒng)在電流超過3.2A 時過流保護(hù)模塊動作。

5 結(jié)論

基于實(shí)驗(yàn)測試的最終結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)處在12V到18V 的輸入電壓變化區(qū)間內(nèi)，均可以保證穩(wěn)定輸出5V 電壓，同時系統(tǒng)輸出電流滿載。整體來看，系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定性良好，當(dāng)系統(tǒng)輸入為額定電壓時，輸出電壓噪聲波紋可以控制在合理范圍內(nèi)，峰值Uopp不超過50mV，且電壓偏差ΔU0小于100mV。此外，該電源系統(tǒng)的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率較為理想，St≤5%，SV≤ 0.05%。該電源系統(tǒng)還具有如下特性：

（1）系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率η=92%，較同類電源有明顯提升。

（2）該系統(tǒng)具有過流保護(hù)功能，保護(hù)電流為I= 3.2A± 0.1A，動作反應(yīng)迅速。

（3）整體電源重量較輕，方便操作與攜帶。