張波 李可 王晨陽 徐傳旭 楊智

摘? 要：開關(guān)電源以其輕小高效的特點(diǎn)應(yīng)用越來越廣，在目前的直流電源中占據(jù)統(tǒng)治地位。以Buck電路實(shí)現(xiàn)降壓型DC/DC變換，以TI公司的同步降壓集成控制芯片LM5117為控制核心，配以通態(tài)電阻極低的MOS管為功率開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)同步整流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的降壓型開關(guān)電源，輸入電壓為13V～18V，輸出電壓穩(wěn)定在5V，功率不小于16W，效率在86%以上，紋波電壓小于50mV。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源;同步整流;LM5117;DC/DC變換

中圖分類號(hào)：TN86;TM46? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）21-0041-03

Abstract：Switching power supply is more and more widely used because of its small size and high efficiency. It occupies a dominant position in the current DC power supply. Buck circuit to realize step-down DC/DC conversion，TIs synchronous buck integrated control chip LM5117 is used as the control core，and MOS transistor with very low on-state resistance is used as power switch device to realize synchronous rectification. The experimental results show that the designed step-down switching power supply is stable at the input voltage of 13V～18V and the output voltage is 5V，the power is not less than 16W，the efficiency is over 86%，and the ripple voltage is less than 50mV.

Keywords：switching power supply;synchronous rectification;LM5117;DC/DC converter

0? 引? 言

電源是各種電子產(chǎn)品必不可少的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接影響到電子產(chǎn)品的性能。高頻、高效、高功率密度、高可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn)使開關(guān)電源有很強(qiáng)的競爭力，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。但隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品對(duì)電源的要求也越來越高。更高的頻率、更高的功率密度、更高的效率、更高的可靠性以及智能化是開關(guān)電源的追求。

1? 同步整流

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模集成電路體積越來越小，所需供電電壓不斷下降。比如CPU供電壓3V左右，內(nèi)存條供電壓1.5V左右。傳統(tǒng)的開關(guān)電源整流輸出部分采用二極管整流。但即使是導(dǎo)通管壓降低的肖特基二極管，其導(dǎo)通管壓降也在0.4～0.6V之間，輸出電壓越低，整流二極管壓降占比就越大，電源的效率越難以提高。低壓功率MOS管通態(tài)電阻很小，比如本文選取的型號(hào)為CDS18532KCS的MOS管通態(tài)電阻只有3.3mΩ（控制電壓UGS=10V時(shí)），在漏源極流過20A的電流時(shí)，通態(tài)壓降只有66mV，有些型號(hào)的MOS管通態(tài)電阻更低，通態(tài)壓降也更低。因此在低壓大電流輸出場合用低通態(tài)電阻的功率MOS管替代傳統(tǒng)的二極管整流，可以很大程度上提高電源效率。這就是所述的同步整流。與肖特基二極管相比，MOS管還有反向漏電流小、阻斷電壓高等優(yōu)點(diǎn)[1]。

MOS管自身漏源極反并聯(lián)有體二極管，因此用于同步整流時(shí)電流是從源極流向漏極，這和其作為功率開關(guān)器件的常規(guī)用法正好相反?？刂菩盘?hào)柵源極電壓uGS大于開啟電壓UT時(shí)，MOS存在導(dǎo)電溝道，漏源極兩端之間電阻很低，電流從源極流向漏極?？刂菩盘?hào)柵源極電壓uGS小于開啟電壓UT時(shí)，MOS不存在導(dǎo)電溝道，原來流過電流的區(qū)域幾乎沒有電流流過，但由于體二極管的存在，電流可以從源極流向漏極，只是電流不是從源極和漏極間的溝道流過，而是經(jīng)體二極管流通。MOS管體二極管的導(dǎo)通壓降比肖特二極管高，且反向恢復(fù)時(shí)間更長[2]。從同步整流MOS管的電流流動(dòng)情況來區(qū)分，同步整流電路可分為電流單向流動(dòng)和電流雙向流動(dòng)兩種類型。

2? 降壓型DC/DC變換電路

DC/DC變換電路分為輸入輸出隔離型DC/DC變換電路和輸入輸出非隔離型DC/DC變換電路。輸入輸出非隔離型DC/DC電路有Buck電路、Boost電路、Buck-Boost電路、Cuk電路、Sepic電路和Zeta電路等等。輸入與輸出隔離型電路有單端反激式電路、單端正激式電路、推挽式DC/DC變換電路、半橋型DC/DC變換電路、全橋式DC/DC變換電路等等。將Buck-Boost電路中電感換成變壓器，開關(guān)管與原邊構(gòu)成回路，二極管與副邊構(gòu)成回路，由于變壓器同名端連接方式的原因，使得開關(guān)管閉合時(shí)副邊二極管不通，變壓器作為電感儲(chǔ)能，能量在開關(guān)管斷開時(shí)傳到負(fù)載，這就得到了單端反激式電路。在Buck電路中插入變壓器，開關(guān)管與變壓器原邊構(gòu)成回路，二極管與副邊構(gòu)成回路，變壓器同名端和反激式電路連接方式不同，能量在開關(guān)管閉合時(shí)傳遞給負(fù)載，這就得到了單端正激式電路。推挽式DC/DC變換電路、半橋型DC/DC變換電路和全橋式DC/DC變換電路都可以看成由單端正激式電路通過某種方式組合得到的。

Buck電路和Boost電路是最基本的DC/DC變換電路。實(shí)現(xiàn)DC/DC變換時(shí)，Buck電路只能降壓，Boost電路只能升壓。Buck電路和Boost電路主電路由功率開關(guān)管、二極管、電感和電容構(gòu)成，元件種類和數(shù)量一樣，只是排列和電氣連接方式不同。Buck電路功率開關(guān)管閉合時(shí)二極管陰極電位高，不導(dǎo)通，直流輸入電源通過功率開關(guān)管對(duì)電感、電容、負(fù)載供電，電感和電容儲(chǔ)能。功率開關(guān)管斷開時(shí)，電感通過二極管釋放能量，此時(shí)電感和電容對(duì)負(fù)載供電。Buck電路功率開關(guān)管周期性地導(dǎo)能與關(guān)斷，使輸入電源間歇性地對(duì)負(fù)載供電，二極管為電感釋放能量提供通道，電容和電感構(gòu)成低通濾波電路，盡可能地減少負(fù)載上電壓電流波動(dòng)。負(fù)載上電壓低于直流電源輸入電壓。由于開關(guān)頻率很高，電感電容足夠大，占比空一定時(shí)，可認(rèn)為負(fù)載上電壓沒有波動(dòng)，恒定。Buck電路在輸出為低壓大電流時(shí)，如前文所述，常規(guī)續(xù)流二極管管壓降占比大、效率低，解決的辦法就是用低通態(tài)電阻的MOS管替代二極管。

3? 同步降壓型集成控制器LM5117

LM5117是TI公司的同步降壓電源集成控制芯片，適用于很多降壓工作的場合。其控制方法是基于仿真峰值電流的電流控制模式。電流模式是雙閉環(huán)系統(tǒng)，其反饋信號(hào)既有電壓信號(hào)也有電流信號(hào)，是一種固定時(shí)間開啟，由反饋電壓信號(hào)、反饋電流信號(hào)和給定電壓信號(hào)共同決定其關(guān)斷的控制方法。TI公司的參考設(shè)計(jì)給出了一款輸出為25V、18A的開關(guān)電源，電源最高效率達(dá)98%以上，可見其性能優(yōu)良。

LM5117芯片有20個(gè)有效引腳，工作電壓范圍為5.5V～ 65V，工作頻率范圍可以在50kHz～750kHz的范圍內(nèi)設(shè)定。芯片內(nèi)部帶有電壓基準(zhǔn)，精度為1.5%。具有穩(wěn)定的3.3A峰值柵極驅(qū)動(dòng)電壓，并且可以用自適應(yīng)死區(qū)控制時(shí)間直接驅(qū)動(dòng)外部高邊和低邊NMOS管。LM5117采用了模擬電流監(jiān)視器，有可選的二極管仿真模式、可編程電流限制、斷續(xù)模式過流保護(hù)、可編程啟動(dòng)與跟蹤、可編程欠壓鎖定、熱關(guān)斷等功能。

4? 基于LM5117的5V16W開關(guān)電源設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)目標(biāo)為：在輸入直流電壓在13V～18V變化時(shí)，電源提供5V的穩(wěn)定輸出，且功率不小于16W。設(shè)計(jì)方案有：方案1，采用7805穩(wěn)壓芯片。結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)，但電流輸出達(dá)不到要求，且效率低下;方案2，反激式變換電路。必須使用變壓器，電路相對(duì)復(fù)雜，變壓器初級(jí)和次級(jí)線圈的漏感都比較大，開關(guān)電源變壓器的工作效率低;方案3，升降壓電路實(shí)現(xiàn)。輸入、輸出電流皆有脈動(dòng)，使得對(duì)輸入電源有電磁干擾且輸出紋波較大，組建電路不方便[3];方案4，基于LM5117的Buck電路。Buck電路結(jié)構(gòu)簡單，輸入電流斷續(xù)，輸出電流連續(xù)，輸出濾波更容易，高效體積小。

基于LM5117設(shè)計(jì)的5V16W開關(guān)電源如圖1所示。圖中NMOS功率管Q1、Q2，電感L1，電容C8、C10構(gòu)成Buck電路。如前文所述，Q2替代Buck電路中傳統(tǒng)的二極管實(shí)現(xiàn)同步整流。電容C10濾降高頻干擾。芯片18引腳HO和15引腳LO分別直接驅(qū)動(dòng)高邊NMOS管和低邊NMOS管。高邊驅(qū)動(dòng)器需外部二極管D1和自舉電容C5配合其工作。輸出電電壓經(jīng)可調(diào)電阻RP1和R8分壓后得到的電壓采樣信號(hào)加到8引腳FB上。FB引腳電壓信與芯片內(nèi)部高精度的0.8V電壓基準(zhǔn)形成誤差放大信號(hào)。由于誤差放大器增益很高，所以穩(wěn)定時(shí)8引腳FB上電壓也為0.8V。芯片8引腳FB上輸入阻抗很大。據(jù)此確定反饋電路RP1和R8的阻值比例使想要得到輸出電壓值在R8上的分壓為0.8V。本設(shè)計(jì)輸出為5V。電路也可通過調(diào)整RP1改變輸出電壓大小。9引腳COMP為電壓反饋誤差放大器的輸出端，COMP和FB之間接入的電容C7、C9以及R7構(gòu)成Ⅱ型環(huán)路補(bǔ)償電路，改善反饋電路性能。芯片12引腳CS為電流檢測放大器輸入端，連接電流檢測電阻RS的高邊。13引腳CSG連接電流檢測電阻RS的低邊。17引腳SW、11引腳RAMP和6引腳AGND之間的電阻R2和電容C4用來設(shè)置PWM信號(hào)斜坡、仿真電感電流斜坡信號(hào)。20引腳VIN是芯片供電電源正端輸入端子，直流電源通過一個(gè)很小的電阻R1連至VIN引腳，C1濾除直流輸入干擾信號(hào)。直流輸入電源經(jīng)RUV2和RUV1兩電阻分壓后連至1引腳UVLO，UVLO為欠壓鎖定編程引腳。5引腳RT引腳為振蕩頻率設(shè)定電阻引腳。RT和AGND之間外接一電阻RT的大小決定振蕩器的工作頻率，從50kHz到750kHz可設(shè)定。此振蕩頻率也就決定了Buck電路的開關(guān)頻率。本設(shè)計(jì)振蕩頻率為248kHz。7引腳VCCDIS為禁止內(nèi)部VCC穩(wěn)壓器可選輸入，該引腳內(nèi)部有一個(gè)500kΩ下拉電阻，此引腳浮置時(shí)，啟用VCC穩(wěn)壓器，圖1中VCCDIS浮置。VCCDIS上電壓大于1.25V時(shí)，內(nèi)部VCC穩(wěn)壓器被禁用。

NMOS管選用TI公司的型號(hào)為CDS18532KCS的晶體管。該MOS管漏源耐壓60V[4]，漏極額定電流100A，在柵源控制電壓為10V時(shí)漏源間通態(tài)電阻只有3.3mΩ，很適用于低壓大電流場合。

5? 結(jié)? 論

基于LM5117設(shè)計(jì)的降壓型開關(guān)電源，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，功率不小于16W，效率在86%以上，紋波電壓小于50mV，電源穩(wěn)定可靠。因此，在汽車電子、工業(yè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、通訊等降壓場合下，應(yīng)用LM5117是一種很好的選擇。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：張波（1979-），男，漢族，湖北棗陽人，副教授，碩士，主要研究方向：電力電子技術(shù)。