基于LM5117的降压型直流稳压电源设计

2016-03-12辽宁工业大学电子与信息工程学院孟丽囡

电子世界 2016年23期

辽宁工业大学电子与信息工程学院祝旭孟丽囡林政杨亮

辽宁工业大学电子与信息工程学院祝旭孟丽囡林政杨亮

本文设计的降压型直流开关稳压电源，以降压控制器LM5117芯片为DC/DC控制核心模块，以CSD18532KCS MOS场效应管替代续流二极管来提高开关电源的效率。采用仿真电流斜坡的电流模式控制，简化了环路补偿的功能，使输出电压偏差范围控制在50mV以下，并且通过调节反馈补偿网络、采用优质电感使输出电压纹波值VPP控制在50mV以内，合理布置PCB版图，采用低等效串联电阻的滤波电容器整体使整体系统功耗降低，效率高达90%以上。合理调整LM5117芯片的电流监视器CM管脚的电压并反馈到VCCDIS引脚，利用芯片内部功能实现过流保护。

纹波电压；低功耗；过流保护

在工业控制，仪器仪表、微型控制模块等应用中，对直流电源提出很高的要求。因此，合理选择电路结构，控制方式，采取有效措施设计精度高、纹波小，效率高，工作稳定可靠的直流电源具有重要意义。

1 设计方案

降压型直流开关稳压电源整体结构框图如图1所示。采用LM5117控制降压变换器，通过电压反馈实现稳定电压输出。开关管选择CSD18532KCS MOS场效应管，并采用同步降压技术，实现高效率稳压输出。

图1 系统整体框图

2 电路设计

2.1 主电路

降压斩波电路如图2所示。开关管导通时，由于二极管的阴极电压高于阳极，二极管处于关断状态，此时电源给电感充电，同时给负载供电。开关管关断时，由于电感上的电流不能突变，这时的二极管导通，给电感电流提供回路，同时给负载供电。开关管的导通与关断期间，电感电流的变化量很小，据此推出输入输出电压的关系：

其中D为占空比，Vout为输出电压，Vin为输入电压，占空比始终小于等于1，由输入输出关系可知，输出电压始终小于等于输入电压，也就是所谓的降压。

图2 降压斩波电路

设计中的二极管采用MOS场效应晶体管代替，由降压同步控制芯片LM5117控制，可以大大提高电源效率。

2.2 控制电路

降压控制器LM5117控制的降压型稳压电源电路如图3所示，控制芯片LM5117的工作频率可以在50KHZ至750KHZ范围内设定，输入电压的范围为5.5V至65V，稳定的3.3A峰值栅极驱动，可利用自适应死区时间控制来驱动外部高边和低边NMOS功率开关管。其他功能还包括热关断、频率同步、断续模式电流限制和可调输入欠压锁定，设计中频率设定230KHZ。

图3 降压控制器LM5117控制的降压型稳压电源电路图

2.3 供电电源设计

芯片供电电源采用内部供电方式，降压变换器输入电压16V，通过电阻接入LM5117 VIN引脚，通过内部稳压器提供芯片电压VCC。

2.4 反馈回路和反馈补偿网络

电压反馈控制模式只有一个电压反馈闭环，且采用的是脉冲宽度调制法，即经电压误差放大器放大的变化的直流采样信号与恒定频率的三角波上斜坡信号相比较，经脉冲宽度调制得到一定宽度的脉冲控制信号。逐个脉冲的限流保护电路另外附加，电压反馈控制模式具有很多优点：PWM三角波幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量；占空比调节不受限制；单一反馈电压闭环的设计、调试比较容易；对输出负载的变化有较好的响应调节。

2.5 降低纹波

纹波会降低开关电源的效率，较强的纹波会造成浪涌电压或电流的产生，导致烧毁用电器，容易在用电器上产生谐波，从而带来更多的危害。开关电源输出纹波主要来源于五个方面: 输入低频纹波；高频纹波；寄生参数引起的共模纹波噪声；功率器件开关过程中产生的超高频谐振噪声；闭环调节控制引起的纹波噪声；纹波来源不同，采用的纹波抑制方法也不同。文中针对低频纹波采用前馈控制方法，并加大输出低频滤波的电感、电容参数；针对高频纹波采用提高开关电源工作频率，以提高高频纹波频率；加大输出高频滤波器，并采用多级滤波，使纹波控制在要求的范围之内。

2.6 过流保护电路

实现过流保护的方法很多，设计中利用LM5117的CM引脚的电流平均值监视功能和VCCDIS引脚的禁用内部稳压器功能，调整适当的检测电阻参数使电流为3.2A时，VCCDIS电压为1.25V，内部稳压器停止工作，实现过流保护。