潘 佳

(安徽理工大學,安徽 淮南 232001)

0 引言

為了使開關(guān)電源的性能滿足電子產(chǎn)品對高性能、小體積及高可靠性要求,開關(guān)電源設(shè)計人員會對元器件選擇、拓撲結(jié)構(gòu)選擇和輔助電路設(shè)計等方面進行優(yōu)化研究[1]。本文以低電壓高效率Buck型DC/DC變換器為研究對象,對其主電路進行了分析與設(shè)計。針對LM3150的工作特點,本文先將主電路進行拆分,從而利用主電路中兩個功率管同時控制推挽式拓撲與全橋式拓撲;后基于LM3150的主要性能指標選擇其外圍元器件,其中包括功率管、電感和電容等;接著設(shè)計出該芯片的外圍電路。借助WEBENCH工具可以根據(jù)電源芯片LM3150實際情況并考慮價格成本以及精巧設(shè)計等因素,設(shè)計出一個符合預(yù)期要求的電源。

1 主要結(jié)構(gòu)分析

1.1 電源芯片LM3150相關(guān)知識

LM3150是一款典型的開關(guān)電源控制芯片,具有工作頻率高;功耗低;驅(qū)動能力強等優(yōu)點。LM3150的內(nèi)部集成了兩個全橋結(jié)構(gòu),因此它可以在單個PCB電路板上安裝。它還具有非常廣泛的應(yīng)用范圍,例如該器件可用于電池供電的產(chǎn)品、便攜式設(shè)備、電池供電顯示器等。內(nèi)部還具有可編程啟動電路、自動穩(wěn)壓電路和過流過壓保護等電路。

1.2 WEBENCH Power Designer設(shè)計工具介紹

這是美國公司德州儀器(TI)設(shè)計的一種用于電源設(shè)計以及電源仿真的線上軟件,它的使用功能十分強大,比如電源,比較器,放大器以及濾波器等的電路元件,還包括音頻信號和無線信號等信號傳播方式,該軟件都可用以對其進行設(shè)計與仿真。

1.3 Buck變換器工作原理介紹

Buck變換器電路如圖1所示。

圖1 Buck變換器電路

參考圖1的變換器電路,可以知道組成串聯(lián)開關(guān)穩(wěn)壓電源的主要結(jié)構(gòu)部分有:MOS管M1,單向通過的二極管D1,外接電容C1和電感L1,作為分壓電阻的R1和R2,保護電容RL,以及由誤差放大電路、采樣電路、脈寬調(diào)制電路(PWM)和驅(qū)動電路組合起來的反饋電路[2]。

通常在使用MOS管M1和單向二極管D1的情況時,考慮的是它們是否處于一種理想情況,即理想元器件M1和D1不存在正向?qū)▔航岛完P(guān)斷漏感電流,以及可以在電路運行時迅速開合或者關(guān)斷;在使用電感電容時也得考慮是否是理想情況,比如當它們處于理想情況下,與電容C和電感L串聯(lián)的等效電阻都不存在;還有就是在考慮輸出電壓中存在的紋波電壓,這是影響轉(zhuǎn)換效率的一個重要元素,當然,由于輸出紋波電壓相比較于輸出電壓來說很小,所以一般可以考慮它不存在[3]。

2 基于LM3150Buck型DC-DC電源設(shè)計

在設(shè)計開關(guān)電源的時候,考慮的問題無非就是幾個基礎(chǔ)問題:轉(zhuǎn)換效率、價格以及占地面積等。而在考慮的時候,就是把上述問題都達到他們的最佳選擇,然而效率、價格、體積等相關(guān)的參考要素是電路的開關(guān)頻率以及電路基于MOS管和二極管產(chǎn)生的功率耗損。

在仿真軟件上設(shè)計了電路,如圖2所示。設(shè)置出如圖的基本參數(shù)。后續(xù)問題就是對功率的優(yōu)化。

圖2 基于LM3150Buck型DC-DC電路

2.1 變換器的效率問題

考慮壓降,即考慮M1和D1的功耗問題,以及伴隨的變換器效率問題[4]。

MOS管M1和單向二極管D1包括了兩部分的功率損耗,其中一個損耗是兩者在正常運行時,電流流過兩個器件,所產(chǎn)生的正向壓降,從而制造的正常功耗,即穩(wěn)態(tài)功耗PD;另外一個就是這兩個元器件在電路運行切換至電路停止工作的小段期間內(nèi),流過電流以及元件電壓所制造的多余損耗,即瞬態(tài)功耗PA。

通常取正向壓降為0.7 V。所以PD=0.7I0。表達式中I0代表的是Buck變換器的輸入電流[6]。

電壓下降和電流上升可以表示為:

(1)

其中,Udc為MOS管M1所能承受的峰值電壓。設(shè)定Ton=Toff=T1,則一個周期內(nèi)的PA=E/T。消耗的能量E的表達式如下:

(2)

由此得到PA的表達式為:

(3)

綜上所述效率η的表達式為:

(4)

根據(jù)表達式可以知道變換器的轉(zhuǎn)換效率與變換器的周期,即T呈正相關(guān),又由于頻率f=1/T,也就是說與開關(guān)的工作頻率f呈負相關(guān),意味著當f增大的時候,轉(zhuǎn)換效率反而要降低[5]。為此在軟件上進行DC-DC電源電路的設(shè)計。

依據(jù)表1可知,在精巧,價格以及效率等因素的影響之下,單獨作用都不是最佳的選擇,所以選擇最折中的方案,即平衡方案。

表1 方案對照表

2.2 電感與效率的關(guān)系

變換器的輸出電流,與變換器外界電感的電感值息息相關(guān),而輸出電流又和周期頻率有關(guān)。所以電感值是影響效率的。

當變換器位于CCM工作模式的時候,表達式有:

(5)

(6)

可以得知當電感值越大的時候,開關(guān)頻率越小,導致轉(zhuǎn)換效率越高。故根據(jù)表1的平衡方案的選擇去改變外界電感的大小[5]。如表2:

表2 電感值方案對照表

2.3 外部電阻Ron與效率的關(guān)系

依據(jù)電源芯片LM3150引腳功能顯示來看,Ron引腳的功能是控制高壓側(cè)開關(guān)導通的時間。為保持相對穩(wěn)定的開關(guān)頻率,電源芯片會自動調(diào)節(jié)輸入電壓與導通時間的關(guān)系。

(7)

(8)

(9)

K為常數(shù),D為占空比。由上述公式可知連接電阻與開關(guān)頻率呈負相關(guān),當外部電阻阻值越大,開關(guān)頻率越小,導致轉(zhuǎn)換效率越高。故根據(jù)表2的SRR1260-120M方案的選擇去改變外接電阻阻值。如表3:

表3 阻值方案對照表

在電感值選擇12μH,型號為SRR1260-120M的電感的基礎(chǔ)之上,再去選擇型號為CRCW080593K1FKEA,阻值為93.1 kΩ的電阻,價格也達到了更好的結(jié)果,開關(guān)頻率為308 kHz,達到了最理想的轉(zhuǎn)換效率95.1%。

3 設(shè)計仿真演示

就以上方案在軟件上對該電源電路進行實驗仿真。

圖3所展現(xiàn)的是變換器轉(zhuǎn)化效率隨電流及輸入電壓Uin的變化曲線,在曲線圖中,可以清楚地看到電壓等級和轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系呈負相關(guān)。圖中分別是10 V,12.5 V和15 V三個輸入電壓條件下轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系曲線。

輸出電壓峰峰值與輸入電壓的關(guān)系如圖4所示,該圖中所要展現(xiàn)的是穩(wěn)定度的關(guān)系,即輸出電壓是否穩(wěn)定。由圖可以看出在輸入電壓為15 V,輸出電流為2 A的時候,輸出電壓峰峰值為0.025 V,都是很小的數(shù)值,足以體現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定性。

圖4 峰峰值電路圖

由此可以說明,基于LM3150設(shè)計的Buck型開關(guān)電源電路,能夠?qū)崿F(xiàn)輸出3.3 V的穩(wěn)定電壓,以及2 A的電流,同時電源的轉(zhuǎn)換效率也成功達到了95.1%。所以在一定的限制條件之下完成了設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

基于對DC-DC變換器的基本工作原理運用,以及其中一個十分重要的使用參數(shù),即轉(zhuǎn)換效率,仿真設(shè)計電源電路需要用到的電源芯片LM3150以及WEBENCH設(shè)置開關(guān)電源的每個元器件數(shù)值,并綜合考慮其價格、頻率、精巧設(shè)計等方面的升級優(yōu)化。最后通過軟件仿真檢驗到設(shè)計出來的電源的穩(wěn)定性很強,且轉(zhuǎn)化效率更高。