屈召贵，周永强

(四川工商学院 实验中心，四川 成都 611745)

高精度DC-DC电源设计

屈召贵，周永强

(四川工商学院 实验中心，四川 成都 611745)

以LM5117芯片和CSD18532KCS为核心器件，设计并制作了一个降压型直流开关稳压电源，电路中采用仿真电流斜坡的电流模式控制,得到了较高的输出稳定度和较小的纹波。电源具有过流保护和负载识别功能。通过仿真与实验得到了较理想的电源参数。

DC-DC变换器；电源；LM5117

0 引言

电源是给电子电路提供能量的重要电路组成部分，其电参数的精度直接影响电路的正常工作。电源的变换管理电路一直在不断地发展、优化和完善。电源的变换分为四大类：交流-直流(AC-DC)，通过整流实现；直流-交流(DC-AC)，通过逆变实现；直流-直流(DC-DC)，通过斩波实现；交流-交流(AC-AC)，通过变频实现[1-2]。本文针对DC-DC 降压型直流变换器设计，提出设计与实现方法。传统的DC-DC变换器，尤其是大功率电源，大都采用分离元件与MCU结合实现，例如30 A输出电流。这些变换器增加了电路的功耗、成本、体积，电源内阻、电压调整率、负载调整率和纹波等参数也很难达到高精度。文中结合LM5117芯片、N通道NexFET功率MOSFET和外围电路，采用仿真电流斜坡的电流模式控制，实现输入电源电压16 V，输出5 V/3 A，纹波峰峰值小于50 mV，电压调整率小于0.5%，负载调整率小于5%，具有过流保护和负载识别功能的开关稳压电源。

1 电路设计

1.1主电路拓扑结构

电源电路主要由LM5117和CSD18532KCS组成。LM5117是一款采用模拟电流监视的宽输入范围同步降压控制器，其输入电压为5.5 V～55 V，工作频率为50 kHz～750 kHz，具有可编程0.8 V输出、电流限制、过流保护等功能。CSD18532为N沟道功率开关管，其漏源电压为60 V，阈值电压为1.8 V[3]。

根据LM5117的数据手册可设计出电源主电路如图1所示。图中，CVCC为电源滤波电容，COUT为输出端滤波电容；DHB选择肖特基二极管，电感L0选择22 μH，RS为4个0.1 mΩ和1个0.01 mΩ电阻并联；AGND与PGND分开，在电路板最后再汇聚在一起。将1.5 kΩ的电阻与470 pF的电容串联接在输出端和FB之间可抑制纹波[4-5]。

1.2主电路分析与参数设计

1.2.1开关频率fsw

LM5117开关频率是通过RT引脚和AGND引脚之间连接的外电阻来设定的，振荡频率在50 kHz～750 kHz之间。理想开关频率与RT的关系为式(1)所示。本电路频率为100 kHz,则RT=51 kΩ。

(1)

图1 主电路拓扑图

1.2.2输出电感L

电源中电感L主要起储能作用。电路选择纹波电流为5 A的40%进行计算，以实现纹波最小。已知开关频率、最大纹波电流、最大输入电压和标称输出电压，电感值计算如式(2)。

(2)

1.2.3电源开关管QH和QL

功率NMOS 器件的选择与开关损耗和耐压有关。开关损耗的计算只针对高边 NMOS 器件，低边 NMOS 器件的开关损耗是微不足道的，因为在低边NMOS 器件开关前后，低边 NMOS 器件的二极管为开启状态。对于本例，施加在 NMOS 器件的最大漏-源电压为 55 V。选定的 NMOS 器件必须能够承受55 V。因此，选用CSD18532KCS场管[6]。

1.2.4 UVLO分压器RUV2、RUV1和CFT计算

所需启动电压和迟滞由分压器RUV1和RUV2来设定。电容CFT为分压器提供滤波，选取为47 pF。对于这样的设计，启动电压设置为14 V，低于VIN(MIN) 1 V。VHYS设置为2 V。RUV1、RUV2的值可以用式(3)和式(4)计算。

(3)

(4)

1.2.5自举电容CHB和自举二极管DHB

在每个周期的开启期间，HB和SW引脚之间的自举电容提供栅极电流，对高边 NMOS器件栅极充电，还为自举二极管提供恢复电荷。这些电流峰值可达几安培。自举电容的值至少是0.1 μF。CHB应该是低ESR陶瓷电容器，它应位于 IC 的引脚旁，以尽量减少可能由引线电感引起的破坏性电压瞬变。自举电容的最小绝对值计算如式(5)。

(5)

式中Qg是高边 NMOS 栅极电荷，ΔVHB是CHB上的容许电压降，通常不到VCC的5%。本例选择的值为0.47 μF。二极管选用齐纳二极管。

1.2.6输出电容CO

输出电容器可以平滑电感纹波电流引起的输出电压纹波，并在瞬态负载条件下提供一个充电电源。对于本例，选择一个最大ESR为20 mΩ的470 μF电解电容作为主输出电容。具有最大ESR的输出纹波电压的基本元件近似值如式(6)所示。

(6)

其他低 ERS/ESL 陶瓷电容器可以与主输出电容并联起来，以进一步降低输出电压纹波和尖峰。本例中加入了两个22 μF 电容。

1.2.7输入电容CIN

在开关频率下，稳压器输入电源电压通常具有高源阻抗。要使用高质量的电容来限制VIN引脚纹波电压，同时在导通时间内提供最大的开关电流。当高边NMOS器件导通时，电流进入器件使电感电流波形从波谷到波峰，然后在关断时下降到零点。应根据RMS电流额定值和最小纹波电压选择输入电容。本例使用10 μF与470 nF并联的陶瓷电容。

1.2.8其他参数

软启动电容CSS选为0.47 μF，重启电容器CRES选为1 μF。输出分压器RFB1和RFB2通过计算分别为4.99 kΩ和357 Ω。环路补偿元件CCOMP、RCOMP、CHF分别为25 nF、27.5 kΩ、189 pF。

1.3过流保护电路设计

过流保护电路是由LM5117的CS和CSG管脚外接的电流检测电阻RS值确定的。当输出电流大于设定值时，将触发内部触发器，输开关管关闭，无输出。设置的关系如式(7)。本例中选择K=1，以控制次谐波振荡和实现单周期阻尼。考虑到误差和纹波电流，最大输出电流能(IOUT(MAX))应高于所需输出电流的20%～50%。本例中选择3 A的120%，经计算RS为7 mΩ，3.6 A时保护[7-8]。

(7)

根据RS的值可计算斜坡电阻RRAMP和CRAMP，以降低电路的噪声，有助于实现高输入电压应用所必需的极小占空比的可靠控制。对于本文CRAMP值设置在820 pF的标准电容值；利用电感器可选择检测电阻和系数K，设AS为10，RRAMP值可以用式(8)计算。RRAMP取值480 Ω。

(8)

1.4负载识别电路设计

电源具有负载识别功能。增加1个2端子端口，端口可外接电阻R(1 kΩ～10 kΩ)作为负载识别端口。电源通过测量端口识别电阻R的阻值，确定输出电压，UO=R/1 kΩ(V)。负载识别电路如图2所示，采用两级运放实现从UOUT到LM5117的反馈端FB，形成负反馈网络。通过运放使输出电压UOUT和被测电阻Rx成比例。图中P2接UOUT，P4接负载电阻Rx，P3连接LM5117的FB端口。则输入U2A同相端的电压为0.5×UOUT，其输出端电压如式(9)所示[9-10]:

(9)

图2 负载识别电路图

U2B为减法器,反相输出端通过分压电阻R3、R4实现10：1分压，为0.1UOUT。同相端为U2AOUT。则U2B的输出电压如式(10)所示：

(10)

将式(9)代入式(10)，则有式(11)。设U2BOUT为1，则有UOUT:Rx=1∶1,从而达到Rx变化，引起对应的UOUT变化，得到式(12)。

(11)

(12)

U2BOUT通过电位器调节，使连接至FB端口的电压保持在0.8 V，达到负载识别功能。

2 电路测试与结果分析

电源电路测试内容有输出电流电压测试、纹波电压测试、负载调整率测试、电压调整率测试、效率测试、过流保护测试、负载识别等。测试框图如图3所示。测试仪器为：电源(1台)，数字万用表(4个)，滑线变阻器(1个)。测试方法：两个电压表分别并联在输入和输出端，输入端和电源之间串联一个电流表，输出端与负载之间串联一个电流表。

图3 测试电路框图

2.1最大输出电流和过流保护测试

(1)测试条件：输入电压UIN=16 V，测试结果见表1。

表1 最大输出电流测试表

(2)结果分析：最大输出电流在3.15 A附近，在3.24 A附近过流保护。

2.2纹波电压Uopp测试

(1)测试条件：输入电压UIN=16 V,Io=Iomax，测试结果如表2所示。

表2 纹波电压峰峰值

(2)结果分析:纹波电压峰峰值小于50 mV。

2.3负载调整率Si

(1)测试条件：输入电压UIN=16 V,Io=0.2Iomax，测试结果如表3所示。

表3 负载调整率

(2)结果分析：负载调整率Si小于2%，表明负载稳定度很高。

2.4电压调整率Sv

(1)测试条件：输入电压UIN=17.6 V，RL=Uo16 V/Iomax，测试结果如表4所示。

表4 电压调整率

(3)结果分析：电压调整率小于2%，输入电源对输出的影响很小，稳定度较高。

2.5效率η

(1)测试条件：输入电压UIN=16 V，Io=Iomax，测试结果如表5所示。

表5 效率测试表

(2)结果分析：效率高于90%，电源效率很高。

2.6负载识别功能

(1)测试条件：输入电压UIN=16 V，测试结果如表6所示。

表6 负载识别测试结果

(2)结果分析:根据Uo=R/1 kΩ，实测输出电压有一定偏差，偏差在0.03%以内，识别精度很高。

3 结论

本文提出基于LM5117的高精度DC-DC变换电源设计，详细分析了电路结构与设计、参数计算、电路参数仿真、实验测试和分析。结果表明设计的电路纹波电压小、稳定度高、带负载能力强，具有负载识别和过流保护功能，有实际应用价值。

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High-precision DC-DC power supply design

Qu Zhaogui, Zhou Yongqiang

(Experiment Center, Sichuan Technology and Business University, Chengdu 611745, China)

This paper designed and produced a step-down dc switching power supply, with LM5117 chips and CSD18532KCS as the core devices. Current slope of current mode control circuit adopts the simulation, the higher output stability and smaller ripple are obtained. The power supply has the function of over-current protection and load identification. Through the simulation and experiment, the ideal power supply parameters are obtained.

DC-DC converter; power; LM5117

TP212.9

：A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.17.010

屈召贵，周永强.高精度DC-DC电源设计[J].微型机与应用，2017,36(17)：34-37.

2017-03-15)

屈召贵(1980-)，通信作者,男，硕士，副教授，主要研究方向：嵌入式技术、仪器仪表。E-mail：35247485@qq.com。周永强(1982-)，男，硕士，讲师，主要研究方向：数字信号处理。