基于LM5117的降壓型直流開關電源的實現

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　　摘要：開關電源是利用現代電力技術，控制開關管開通和關斷的時間比，維持輸出穩定電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC芯片和MOSFET開關管構成。本文采用TI公司的LM5117芯片和CSD18532KCS MOS場效應管為核心，設計了一款降壓型直流開關穩壓電源，該電源利用LM5117的穩壓功能，設置恰當的反饋電阻值，將16V的輸入電壓，通過LM5117芯片及外部電路輸出穩定的5V、3A。此設計實現了輸出紋波噪聲控制在50mV以內；從滿載至輕載（20%滿載）的條件下，負載調整率低至2.66%；在輸入電壓13.6V至17.6V的變化范圍內，電壓調整率低至0.04%。該電路還有限流和限壓保護設計，增加了電源系統的穩定性，對開關電源的設計和制作具有一定的參考意義。
　　關鍵詞：降壓型直流開關電源；LM5117；CSD18532KCS場效應管；限流保護
　　0.引言：隨著便攜式電子產品在通信、計算機及消費電子等領域的不斷增長。電力電子技術得到迅速發展。而DC-DC開關電源因為其重量輕、效率高、功耗小、體積小、穩壓范圍寬等優點而被廣泛應用。隨著工藝制造水平的提高，開關電源正逐漸向高頻化進軍，高頻化使得開關電源小型化，從而可以進入更廣泛的應用領域。目前市場上出售的開關電源一般是采用雙極性晶體管制成的開關頻率在100KHz左右的電源，以及用MOSFET制成的500KHz電源。但是這樣的頻率還遠遠不夠，當前未來開關電源的發展方向主要是高可靠、高頻、低噪聲、低功耗、抗干擾和模塊化。本設計雖然效率一般，但是減小了紋波，并且加入了限流電路，增加了系統的穩定性。
　　1.降壓型DC-DC開關電源原理
　　1.1降壓型DC-DC開關電源的組成。
　　其中開關調整元件MOSFET，它的導通和關斷由PWM控制信號決定。電感L為儲能元件、電容C為濾波元件。當開關管截止時，二極管VD可以保持輸出電流連續，所以稱為續流二極管?？刂菩盘柺归_關管VT導通時，濾波電感L中的電流逐漸增加，儲能逐漸增大。當控制信號使開關管關斷時，電感L中的電流將減少，L兩端產生的感應電壓使二極管VD導通，電感L儲存的能量通過續流二極管傳輸到負載，當控制信號周期足夠小就可以通過控制開啟關斷VT的時間來控制輸出電壓的大小。
　　1.2控制信號：控制信號類型按照原理來分大致有三種：1）脈沖寬度調制（PWM），固定開關頻率，通過改變脈沖寬度來調節占空比，穩定輸出電壓。優點是方便控制，缺點是輸出電壓不能寬范圍調節，而且要防止空負載?，F在大多數的集成開關電源芯片都是采用的脈沖寬度調制，該設計采用的LM5117芯片就是使用的脈沖寬度調制。2）脈沖頻率調制（PFM），將脈沖寬度固定，通過改變開關頻率來調節占空比，穩定輸出電壓。脈沖頻率調制的輸出電壓調節范圍很寬，而且可以不接負載。3）混合調制，是指脈沖的頻率和寬度都不固定，可以改變的調制方式。
　　2.系統總體設計
　　2.1系統總體框圖
　　3.穩壓電路設計分析與運算
　　LM5117內部雖然集成了許多運算放器，但要實現它的功能，仍需要配置相應的外圍電路，比如配置定時電阻RT來設置開關頻率；還有電流檢測電阻RS、輸出電感L0、斜坡電容CRAMP和斜坡電阻RRAMP等。下面就是對此設計需要用到的配置電路元件的具體描述。
　　3.1定時電阻
　　開關電源選擇一個合適的開關頻率是十分重要的，開關頻率越高，開關電源就可以做的更小，提高效率，減少紋波，但是太高的開關頻率會使MOS管的損耗增加，使得效率下降。綜合考慮此設計的電路工作效率和電壓紋波的大小，最終選擇開關頻率FW為425KHz。在這樣的開關頻率下，電路工作效率能滿足85%以上，噪聲紋波也在50mv以下，其定時電阻Rt計算公式如下：
　　選定了11.3k?的標準值。
　　3.2輸出電感
　　輸出電感是儲能元件，IPP是電感峰-峰紋波電流值，IPP（MAX）是峰峰電流值的最大值，可以在20%至 40%的滿載電流（3A）之間選擇?？紤]到電感銅損和磁芯損耗。這里選擇IPP（MAX）為滿載電流3A 的 40%。開關電源的最大輸入電壓VIN（MAX）為17.6V。電感值可以用以下公式計算：
　　4.測試結果及其分析
　　4.1測試分析
　　1）由測試的結果可知，輸出的電壓可以穩定在5V左右，但是會有60mv的誤差，這是由于電容存在充電的過程，解決的辦法是減少反饋端的電阻就可以讓電壓重新回到5V
　　2）最大輸出電流反映的是開關電源帶負載的能力。本設計能達到3.11A
　　3）帶載輸出的紋波有30mv的波動。其主要原因是走線的線寬太小和走線過長，包括電感值大小、走線方向、布局這些因素都會對輸出的電壓波形產生巨大的干擾
　　4）負載調整率是開關電源在帶負載情況下的穩壓的能力。開關頻率的大小會影響負載整率，開關頻率越大效率越高但是帶負載能力下降，開關頻率越小效率越低但是帶負載能力上升。本設計達到了2.6%的負載調整率。
　　5）電壓調整率是體現了開關電源的穩壓能力，在輸入電壓在17.6V到13.6V變化的時候穩壓輸出的能力。本設計電壓調整率幾近于零。
　　6）開關電源的效率主要是計算額外損耗的大小，在本系統中最主要的就是mos管的損耗。本設計效率達到85%以上
　　7）過流保護電流的大小取決于采樣電阻的大小，采樣電阻越大，過流保護電流越小。設計設置的是3.15A的過流保護電流。
　　參考文獻：
　　[1]侯清江，張黎強，許棟剛.開關電源的基本原理及發展趨勢探析[J].制造業自動化，2010，32（9）：160-162
　　[2]脫立芳.降壓型PWM DC-DC開關電源技術研究 [D].西安：西安電子科技大學，2008
　　作者簡介：劉璐（1997-），女，本科，學生，主要研究方向：系統電路設計。顏雁軍（1996-），男，本科，學生，主要研究方向：開關電源設計。王明潔（1996-），男，本科，學生，主要研究方向：模擬集成電路。楊麗（1997-），女，本科，學生，主要研究方向：測試分析。
　　基金：2017年成都理工大學國家級大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：201710616005）。
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