1、降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源（A題）學(xué)校：東北石油大學(xué)參賽選手：盧鑫坡 曲記鋒 宋忠民指導(dǎo)教師：張明摘 要:本系統(tǒng)以TI公司的LM5117及CSD18532KCS場效應(yīng)管為核心，設(shè)計制作了該降壓型開關(guān)直流穩(wěn)壓電源。額定輸出電壓為5V，輸出電流最大值為3A。該系統(tǒng)前端是以LM5117為核心構(gòu)成的DC-DC直流轉(zhuǎn)直流降壓電路，從而確定所需的PWM調(diào)制方式，經(jīng)過幾級濾波最終去除紋波，完成了總體電路的設(shè)計。該作品很好地滿足了競賽題目要求。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源 LM5117 CSD18532KCS場效應(yīng)管 1設(shè)計任務(wù)1.1基本要求（1）額定輸入電壓下，輸出電壓偏差：UO=5V-UO100mV； （2）額定輸入電壓

2、下，最大輸出電流：IO3A； （3）輸出噪聲紋波電壓峰峰值：UOPP50mV(UIN=16V,IO=IOmax)； （4）IO從滿載IOmax變到輕載0.2IOmax 時，負(fù)載調(diào)整率：Si=UO輕載UO滿載-1100%5% (UIN=16V)； （5）UIN變化到17.6V和13.6V，電壓調(diào)整率：SV=maxUO17.6V-UO16V,UO16V-UO13.6VUO16V100%0.5% (RL=UO(16V)IOmax)（6）效率85%（UIN=16V，IO=IOmax）； （7）具有過流保護(hù)功能，動作電流IOth=3.20.1A；（8）增加1個二端子端口，即輸出控制端口，端口可外接電阻R

3、（1k-10k）。電源輸出電壓UO由下式確定： UO=R1k(V)；（9）盡量減小電源重量，使電源不含負(fù)載的重量不大于0.2Kg；2.系統(tǒng)方案2.1方案提出利用LM5117制作一個恒流穩(wěn)壓器，經(jīng)查該芯片數(shù)據(jù)手冊知，可以通過調(diào)節(jié)電流控制，電壓控制兩部分的開合關(guān)系，來實現(xiàn)升壓和降壓的功能，最終達(dá)成DC-DC變換的目的。具體電路原理圖如后圖5-1所示。2.2系統(tǒng)整體框圖DC-DC降壓部分去耦濾波消除高頻噪音直流輸入部分負(fù)載RL環(huán)形路型補償仿真電流檢測5V、3A直流輸出去耦濾波RC濾波圖2-1降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計總體框圖3.電路理論分析3.1具體實現(xiàn)方法（1）降低紋波的方法利用前饋控制的方法對低頻紋

4、波進(jìn)行濾除，對于高頻紋波，則利用多級濾波的方式，來進(jìn)行濾除。（2）DC-DC變換方法在DC-DC控制方法的選擇上，我們考慮了很多，最終決定采用目前比較成熟的PW脈寬調(diào)制技術(shù)來實現(xiàn)對該系統(tǒng)的數(shù)字化控制，把直流電壓變換為另一數(shù)值的直流電壓最簡單方法是串聯(lián)一個電阻，這樣不涉及變頻的問題，顯得很簡單，但是效率低。用一個半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，使帶有濾波器（L或/和C）的負(fù)載線路與直流電壓一會兒接通，一會兒斷開，則負(fù)載上也得到另一個直流電壓，這就是DC-DC的基本手段，類似于“斬波”（Chop）作用。一個周期Ts內(nèi)，電子開關(guān)接通時間ton所占整個周期Ts的比例，稱接通占空比（D，D）=ton/Ts；斷開

5、時間toff所占Ts比例，稱斷開占空比（D，D）=toff/Ts。很明顯，接通占空比越大，負(fù)載上電壓越高；1/Ts=fs稱開關(guān)頻率，fs越高，負(fù)載上電壓也越高。這種DC-DC變換器中的開關(guān)都在某一固定頻率下（如幾百千赫茲）工作，這種保持開關(guān)頻率恒定，但改變接通時間長短（即脈沖的寬度），使負(fù)載變化時，負(fù)載上電壓變化不大的方法，稱脈寬調(diào)制法（PulseWidthModulation,簡稱為PWM）。由于電子開關(guān)按外加控制脈沖而通斷，控制與本身流過的電流、二端所加的電壓無關(guān)，因此電子開關(guān)稱為“硬開關(guān)”。很明顯，由于硬開關(guān)關(guān)斷和開通時，開關(guān)上同時存在電壓、電流，損耗是比較大的，但無論如何比串聯(lián)電阻變換

6、方法損耗小得多。這就是開關(guān)電源的優(yōu)點之一，整個控制系統(tǒng)的整體框圖如圖3-1所示。（3）穩(wěn)壓控制方法在輸出端對輸出電壓進(jìn)行取樣，得到的樣本電壓傳輸至LM5117的FB端口接到內(nèi)部誤差放大器反相輸入端，內(nèi)部高增益誤差放大器可以產(chǎn)生一個與 FB 引腳電壓和內(nèi)部高精度 0.8V 基準(zhǔn)之差成正比的誤差信號。PWM 比較器通過一個 1.2V 內(nèi)部壓降，比較取自斜坡發(fā)生器的仿真電流檢測信號和誤差信號，控制PWM信號，進(jìn)而達(dá)到控制輸出電壓的作用。在芯片的COMP引腳接入環(huán)路補償元件，通過改變其數(shù)值可配置誤差放大器的增益和相位特性。圖3-14.元器件選擇與參數(shù)計算4.1確定開關(guān)頻率為了方便后續(xù)電源相關(guān)元器件參數(shù)

7、選擇，首先進(jìn)行開關(guān)頻率選擇，根據(jù)技術(shù)手冊，較高頻率的應(yīng)用體積較小，等損耗較高。在本次設(shè)計中，為了達(dá)到任務(wù)要求，達(dá)到高效率小尺寸的要求，采用230kHz作為折中方案。同時根據(jù)確定頻率確定定時電阻RTRT=5.2109230102-948=21.7k (4.1.1)4.2輸出電感最大電感紋波電流出現(xiàn)在最大輸入電壓時。根據(jù)技術(shù)手冊，為了平滑輸出的紋波電壓，輸出電容要承擔(dān)更大的負(fù)荷。選擇的紋波電流為 3.2A 的 40。已知開關(guān)頻率、最大紋波電流、最大輸入電壓和標(biāo)稱輸出電壓，電感值可以用以下公式計算：L0=VOUTIPPMaxfsw1-VOUTVINmaxH=12.1H (4.2.1)根據(jù)公式計算L0

8、選擇最接近標(biāo)準(zhǔn)值為10H.4.3電流檢測電阻 由于LM5117采用了一個獨特的斜坡發(fā)生器，它可以重建電流信號，表征或仿真電感器電流為PWM比較器提供了一個斜坡信號，此信號沒前沿尖峰，無需測量或濾波延遲，并保持了傳統(tǒng)峰值電流模式控制的優(yōu)點。電流重建包括采樣和保持直流電平和仿真的電感電流斜坡。如圖4-1所示。 圖4-1 正斜率電感電流斜坡是連接在RAMP和AGND之間的CRAMP，以及連接埃在SW和RAMP之間的RRAMP進(jìn)行仿真的。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，CRAMP采用了高質(zhì)量的陶瓷電容器。CRAMP，RRAMP的選擇可用K洗漱減緩，該系數(shù)可以定義為： K=L0RRAMPCRAMPRsAs (4.3.1)

9、 轉(zhuǎn)換器的性能根據(jù)K值會有所不同。對于這個例子，選擇了K = 1，以控制次諧波振蕩和實現(xiàn)單周期阻尼?？紤]到誤差和紋波電流，最大輸出電流能力 (IOUT (MAX)應(yīng)高于所需輸出電流的 20 至 50。RS=VCSTHIOUTMAX+VOUTKfSWL0-IPP2 (4.3.2) RS=0.053.2A+5230kHz10uH-1.04A2=20m (4.3.3)4.4斜坡電阻RRAMP和斜坡電容CRAMP 電感的電流斜波信號在此設(shè)計中是由RRAMP和CRAMP仿真的，這里把CRAMP的值設(shè)置在1nF,K值選擇為1，RRAMP可由以下公式計算：RRAMP=L0KCRAMPRSAS （4.4.1）

10、經(jīng)過計算RRAMP=50k4.5 UVLO分壓器RUV2, RUV1,CFT啟動電壓和遲滯是由RUV2和 RUV1的值來設(shè)定的，電容CFT為分壓器提供濾波，本設(shè)計中，啟動電壓設(shè)置為12V，VHYS設(shè)置為2V。RUV2, RUV1的值通過以下公式計算：RUV2=2V20uA=100k (4.5.1)RUV1=1.25V100k12V-1.25V=11.63k (4.5.2)通過分析與計算，RUV2選擇值為100 k。RUV1選擇的是1.63 k。CFT的值選擇0.1f。4.6 緩沖元件 R SNB 和 CSNB根據(jù)數(shù)據(jù)手冊低邊 NMOS 器件兩端的電阻-電容緩沖網(wǎng)絡(luò)可減少開關(guān)節(jié)點的振鈴和尖峰。過

11、多的振鈴和尖峰可能會導(dǎo)致運行不穩(wěn)定，還可能將噪聲耦合至輸出電壓。本次設(shè)計選擇緩沖器值通過實證的方法來完成。首先明確緩沖連接導(dǎo)線長度很短。從 5和 50 之間的電阻值開始。為了線路更加合理，我們選擇了最小值的緩沖電容，能夠在重負(fù)載條件下為開關(guān)波形尖峰提供足夠的阻尼。4.7自舉電容CHB 和自舉二極管DHB在每個周期的開啟期間，HB 和 SW 引腳之間的自舉電容提供柵極電流，對高邊 NMOS 器件柵極充電，還為自舉二極管提供恢復(fù)電荷。本設(shè)計中確定CHB理論值最小為0.29f，實際選擇為0.47f。4.8 VCC 電容CVCCVCC 電容 (CVCC) 的主要用途是為 LO 驅(qū)動器和自舉二極管提供峰

12、值瞬態(tài)電流，并為 VCC 穩(wěn)壓器提供穩(wěn)定性。這些峰值電流可達(dá)幾安培。數(shù)據(jù)手冊建議的CVCC 值應(yīng)不小于0.47 f，且應(yīng)該是一個良好品質(zhì)的低 ESR 陶瓷電容器。CVCC 應(yīng)連在 IC 引腳上，以盡量減少可能由引線電感引起的破壞性電壓瞬變。根據(jù)實驗情況，本次CVCC0.59uf，根據(jù)實際情況我們選擇1f。4.9 VIN 的濾波器RVIN、CVIN VIN上的R-C濾波器是可選的。濾波器有助于防止注入到VIN引腳的高頻開關(guān)噪聲引起的故障。本次設(shè)計中，CVIN采用了0.47f陶瓷電容器。RVIN選定為3.9。4.10軟啟動電容 CSSSS 引腳的電容 (CSS) 決定軟啟動時間 (tSS)，它是達(dá)

13、到最終穩(wěn)壓值的輸出電壓持續(xù)時間。tSS=0.1F0.8V10A (4.10.1)所以該軟啟動時間為 8 ms，CSS 選擇的值為 0.1 F。4.11輸出分壓器RFB2 和RFB1RFB1 和RFB2 設(shè)置輸出電壓電平。這些電阻的比值計算公式為：RFB2RFB1=VOUT0.8V-1 (4.11.1)RCOMP 和RFB2 之間的比值決定了中頻增益 AFB_MID。經(jīng)過計算環(huán)路補償元件 CCOMP、RCOMP 和 CHF4.12 CCOMP、RCOMP 和 CHF可配置誤差放大器增益和相位特性，以產(chǎn)生一個穩(wěn)定的電壓環(huán)路。 為了確定具體值，我們通過四個步驟進(jìn)行展開計算。第一步：選擇fCROSS

14、通過選擇十分之一的開關(guān)頻率，fCROSS可確定為23kHz。第二步：確定所需的RCOMP已知fCROSS，RCOMP可計算如下：RCOMP=2RsAsCoutRFB2fCROSS (4.12.1)計算得RCOMP=27.5第三步：確定CCOMP以消除負(fù)載極點已知RCOMP，CCOMP可計算如下：CCOMP=RLOADCOUTRCOMP F (4.12.2) 計算得CCOMP=25 nf第四步：確定CHF，以消除ESR零點已知已知RCOMP和CCOMP，CHF可計算如下：CHF=RESRCOUTCCOMPRCOMPCCOMP-RESRCOUT (4.12.3)計算得CHF=189 pf在以上理論

15、計算基礎(chǔ)上實際選擇CCOMP=22.00nf, RCOMP=24K，CHF=220pf。5.電路設(shè)計及器件選擇5.1 DC-DC實現(xiàn)電路利用如圖3-1所示電路實現(xiàn)DC-DC高壓直流轉(zhuǎn)低壓直流的功能，該圖為一個直流穩(wěn)壓源的原理圖，這個恒壓穩(wěn)壓器是利用反饋輸入電流監(jiān)視功能，LM5117可以配置成一個恒流穩(wěn)壓器。取自VOUT至AGND的VCCDIS引腳的分壓信號可用來防止輸出過壓。當(dāng)VCCDIS引腳電壓高于VCCDIS閾值時，控制器關(guān)閉VCC穩(wěn)壓器，VCC引腳電壓下降。當(dāng)VCC引腳電壓低于VCC UV閾值時，HO和LO輸出停止切換。由于VCC所需的時間延遲衰減到VCC UV閾值以下，過壓保護(hù)在斷續(xù)模

16、式下運行。圖5-15.2系統(tǒng)原理圖：見附錄1。6.作品測試及結(jié)果分析 6.1測試方案及測試條件測試中我們采用了TDGC-2接觸調(diào)壓器（0.5KVA）、KENWOOD CS-4125 示波器、FLUKE 15B萬用表、以及可調(diào)數(shù)顯式電子負(fù)載進(jìn)行調(diào)試，通過改變電流源輸入電壓，通過萬用表測出多組數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。測試結(jié)果見下表。6.2測試結(jié)果及其完整性（1）一定范圍輸入電壓下，輸出電壓：表 1次數(shù) 123456789UIN12.1V12.7V13.6V14.0V15.6V17.6V18.0V19.5V20.0VUOUT5.040V5.041V5.040V5.043V5.041V5.040V5.0

17、42V5.039V5.043V|UO|0.040V0.041V0.040V0.043V0.041V0.040V0.042V0.039V0.043V（2）一定范圍輸入電壓下，輸出最大電流：表 2次數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9UIN12.1V12.7V13.6V14.0V15.6V17.6V18.0V19.5V20.0VIOUT3.10A3.09A3.11A3.12A3.10A3.08A3.10A3.11A3.00A 6.3測試結(jié)果及分析表3UOIO(MAX)U(OPP)均值0.21V3,.09A 48.57mV 0.42%0.48%86.12%方差 最大值0.43V 3.12A49.00mV最小值 0.39V 3.00A48.20mV 總 結(jié)本作品在各項指標(biāo)上均滿足題目要求，能夠?qū)?6V輸入直流電壓整形成滿足要求的5V直流電壓，電路簡潔實用。本設(shè)計的降壓核心為LM5117芯片，采用多級濾波的方