张波 李可 王晨阳 徐传旭 杨智

摘  要：开关电源以其轻小高效的特点应用越来越广，在目前的直流电源中占据统治地位。以Buck电路实现降压型DC/DC变换，以TI公司的同步降压集成控制芯片LM5117为控制核心，配以通态电阻极低的MOS管为功率开关器件实现同步整流。实验结果表明，设计的降压型开关电源，输入电压为13V～18V，输出电压稳定在5V，功率不小于16W，效率在86%以上，纹波电压小于50mV。

关键词：开关电源;同步整流;LM5117;DC/DC变换

中图分类号：TN86;TM46       文献标识码：A 文章编号：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

電源是各种电子产品必不可少的组成部分，其性能的优劣直接影响到电子产品的性能。高频、高效、高功率密度、高可靠性等诸多优点使开关电源有很强的竞争力，应用领域越来越广。但随着电子技术的发展，电子产品对电源的要求也越来越高。更高的频率、更高的功率密度、更高的效率、更高的可靠性以及智能化是开关电源的追求。

1  同步整流

随着现代电子技术的发展，大规模集成电路体积越来越小，所需供电电压不断下降。比如CPU供电压3V左右，内存条供电压1.5V左右。传统的开关电源整流输出部分采用二极管整流。但即使是导通管压降低的肖特基二极管，其导通管压降也在0.4～0.6V之间，输出电压越低，整流二极管压降占比就越大，电源的效率越难以提高。低压功率MOS管通态电阻很小，比如本文选取的型号为CDS18532KCS的MOS管通态电阻只有3.3mΩ（控制电压UGS=10V时），在漏源极流过20A的电流时，通态压降只有66mV，有些型号的MOS管通态电阻更低，通态压降也更低。因此在低压大电流输出场合用低通态电阻的功率MOS管替代传统的二极管整流，可以很大程度上提高电源效率。这就是所述的同步整流。与肖特基二极管相比，MOS管还有反向漏电流小、阻断电压高等优点[1]。

MOS管自身漏源极反并联有体二极管，因此用于同步整流时电流是从源极流向漏极，这和其作为功率开关器件的常规用法正好相反。控制信号栅源极电压uGS大于开启电压UT时，MOS存在导电沟道，漏源极两端之间电阻很低，电流从源极流向漏极。控制信号栅源极电压uGS小于开启电压UT时，MOS不存在导电沟道，原来流过电流的区域几乎没有电流流过，但由于体二极管的存在，电流可以从源极流向漏极，只是电流不是从源极和漏极间的沟道流过，而是经体二极管流通。MOS管体二极管的导通压降比肖特二极管高，且反向恢复时间更长[2]。从同步整流MOS管的电流流动情况来区分，同步整流电路可分为电流单向流动和电流双向流动两种类型。

2  降压型DC/DC变换电路

DC/DC变换电路分为输入输出隔离型DC/DC变换电路和输入输出非隔离型DC/DC变换电路。输入输出非隔离型DC/DC电路有Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路、Cuk电路、Sepic电路和Zeta电路等等。输入与输出隔离型电路有单端反激式电路、单端正激式电路、推挽式DC/DC变换电路、半桥型DC/DC变换电路、全桥式DC/DC变换电路等等。将Buck-Boost电路中电感换成变压器，开关管与原边构成回路，二极管与副边构成回路，由于变压器同名端连接方式的原因，使得开关管闭合时副边二极管不通，变压器作为电感储能，能量在开关管断开时传到负载，这就得到了单端反激式电路。在Buck电路中插入变压器，开关管与变压器原边构成回路，二极管与副边构成回路，变压器同名端和反激式电路连接方式不同，能量在开关管闭合时传递给负载，这就得到了单端正激式电路。推挽式DC/DC变换电路、半桥型DC/DC变换电路和全桥式DC/DC变换电路都可以看成由单端正激式电路通过某种方式组合得到的。

Buck电路和Boost电路是最基本的DC/DC变换电路。实现DC/DC变换时，Buck电路只能降压，Boost电路只能升压。Buck电路和Boost电路主电路由功率开关管、二极管、电感和电容构成，元件种类和数量一样，只是排列和电气连接方式不同。Buck电路功率开关管闭合时二极管阴极电位高，不导通，直流输入电源通过功率开关管对电感、电容、负载供电，电感和电容储能。功率开关管断开时，电感通过二极管释放能量，此时电感和电容对负载供电。Buck电路功率开关管周期性地导能与关断，使输入电源间歇性地对负载供电，二极管为电感释放能量提供通道，电容和电感构成低通滤波电路，尽可能地减少负载上电压电流波动。负载上电压低于直流电源输入电压。由于开关频率很高，电感电容足够大，占比空一定时，可认为负载上电压没有波动，恒定。Buck电路在输出为低压大电流时，如前文所述，常规续流二极管管压降占比大、效率低，解决的办法就是用低通态电阻的MOS管替代二极管。

3  同步降压型集成控制器LM5117

LM5117是TI公司的同步降压电源集成控制芯片，适用于很多降压工作的场合。其控制方法是基于仿真峰值电流的电流控制模式。电流模式是双闭环系统，其反馈信号既有电压信号也有电流信号，是一种固定时间开启，由反馈电压信号、反馈电流信号和给定电压信号共同决定其关断的控制方法。TI公司的参考设计给出了一款输出为25V、18A的开关电源，电源最高效率达98%以上，可见其性能优良。

LM5117芯片有20个有效引脚，工作电压范围为5.5V～ 65V，工作频率范围可以在50kHz～750kHz的范围内设定。芯片内部带有电压基准，精度为1.5%。具有稳定的3.3A峰值栅极驱动电压，并且可以用自适应死区控制时间直接驱动外部高边和低边NMOS管。LM5117采用了模拟电流监视器，有可选的二极管仿真模式、可编程电流限制、断续模式过流保护、可编程启动与跟踪、可编程欠压锁定、热关断等功能。

4  基于LM5117的5V16W开关电源设计

本次设计目标为：在输入直流电压在13V～18V变化时，电源提供5V的稳定输出，且功率不小于16W。设计方案有：方案1，采用7805稳压芯片。结构简单、易实现，但电流输出达不到要求，且效率低下;方案2，反激式变换电路。必须使用变压器，电路相对复杂，变压器初级和次级线圈的漏感都比较大，开关电源变压器的工作效率低;方案3，升降压电路实现。输入、输出电流皆有脉动，使得对输入电源有电磁干扰且输出纹波较大，组建电路不方便[3];方案4，基于LM5117的Buck电路。Buck电路结构简单，输入电流断续，输出电流连续，输出滤波更容易，高效体积小。

基于LM5117设计的5V16W开关电源如图1所示。图中NMOS功率管Q1、Q2，电感L1，电容C8、C10构成Buck电路。如前文所述，Q2替代Buck电路中传统的二极管实现同步整流。电容C10滤降高频干扰。芯片18引脚HO和15引脚LO分别直接驱动高边NMOS管和低边NMOS管。高边驱动器需外部二极管D1和自举电容C5配合其工作。输出电电压经可调电阻RP1和R8分压后得到的电压采样信号加到8引脚FB上。FB引腳电压信与芯片内部高精度的0.8V电压基准形成误差放大信号。由于误差放大器增益很高，所以稳定时8引脚FB上电压也为0.8V。芯片8引脚FB上输入阻抗很大。据此确定反馈电路RP1和R8的阻值比例使想要得到输出电压值在R8上的分压为0.8V。本设计输出为5V。电路也可通过调整RP1改变输出电压大小。9引脚COMP为电压反馈误差放大器的输出端，COMP和FB之间接入的电容C7、C9以及R7构成Ⅱ型环路补偿电路，改善反馈电路性能。芯片12引脚CS为电流检测放大器输入端，连接电流检测电阻RS的高边。13引脚CSG连接电流检测电阻RS的低边。17引脚SW、11引脚RAMP和6引脚AGND之间的电阻R2和电容C4用来设置PWM信号斜坡、仿真电感电流斜坡信号。20引脚VIN是芯片供电电源正端输入端子，直流电源通过一个很小的电阻R1连至VIN引脚，C1滤除直流输入干扰信号。直流输入电源经RUV2和RUV1两电阻分压后连至1引脚UVLO，UVLO为欠压锁定编程引脚。5引脚RT引脚为振荡频率设定电阻引脚。RT和AGND之间外接一电阻RT的大小决定振荡器的工作频率，从50kHz到750kHz可设定。此振荡频率也就决定了Buck电路的开关频率。本设计振荡频率为248kHz。7引脚VCCDIS为禁止内部VCC稳压器可选输入，该引脚内部有一个500kΩ下拉电阻，此引脚浮置时，启用VCC稳压器，图1中VCCDIS浮置。VCCDIS上电压大于1.25V时，内部VCC稳压器被禁用。

NMOS管选用TI公司的型号为CDS18532KCS的晶体管。该MOS管漏源耐压60V[4]，漏极额定电流100A，在栅源控制电压为10V时漏源间通态电阻只有3.3mΩ，很适用于低压大电流场合。

5  结  论

基于LM5117设计的降压型开关电源，经实验测试，功率不小于16W，效率在86%以上，纹波电压小于50mV，电源稳定可靠。因此，在汽车电子、工业直流电机驱动、通讯等降压场合下，应用LM5117是一种很好的选择。

参考文献：

[1] 侯振义，夏峥，柏雪倩，等.直流开关电源技术及应用 [M].北京：电子工业出版社，2006.

[2] 徐德鸿，陈治明，李永东，等.研究生教学用书：现代电力电子学 [M].北京：机械工业出版社，2017

[3] 张桂红.基于LM5117的降压型直流开关稳压电源设计 [J].电脑知识与技术，2016，12（29）：254-256.

[4] 仲鹏达，朱江，章子健，等.降压型直流开关稳压电源实验装置设计 [J].实验技术与管理，2017，34（9）：95-99.

作者简介：张波（1979-），男，汉族，湖北枣阳人，副教授，硕士，主要研究方向：电力电子技术。