降压型直流开关稳压电源的设计

吴克文

（黄冈职业技术学院，湖北黄冈438000）

降压型直流开关稳压电源的设计

吴克文

（黄冈职业技术学院，湖北黄冈438000）

本降压型直流开关稳压电源以LM5117芯片和CSD18532KCS MOS场效应管为核心器件，实现了DC—DC变换功能，并以STM32f103zet6单片机作为主控制芯片，实现了过流保护控制、电阻负载识别以及实时显示输出电压、电流和功率等功能。该电路结构简单、输出电压稳定，直流转换效率高，能在直流转换场合得到广泛应用。

LM5117；CSD18532KCS；DC-DC转换；稳压

前言

电子产品的正常持续工作一般都离不开可靠的电源系统，开关电源主要通过控制晶体管的导通和关断的时间比率，维持一个近似稳定输出电压的一种电源。开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关稳压电源根据开关管在电路中的连接方式分类，可分为串联型开关稳压电源、并联型开关稳压电源和脉动变压器耦合式开关电源。开关稳压电源的效率高，电压范围宽，输出电压相对稳定，由于开关管工作在开关状态，功耗小，所以开关电源的工作效率可达80%～90%，这为开关电源提供了广泛的发展空间。本文针对降压型直流开关稳压电源作了深入研究和探索，提出了一种切实可行的设计方案。

一、方案设计与论证

（一）稳压电路的选择

方案一：以7805作为稳压电路的控制核心，该稳压集成块内部电路具有过压保护、过流保护、过热保护功能，性能稳定。但是最大输出电流不能满足要求。

方案二：以LM5117作为降压控制器，是基于采用仿真电流斜波的电流模式控制。电流模式控制具有固有的输入电压前馈、逐周期电流限制和简化环路补偿的功能，而且还包括热关断、频率同步、断续模式限制和可调输入欠压锁定等功能。而且输出的电流较大，能满足题目的大电流的输出要求。

基于以上分析，要很好地完成题目的基本要求，经综合考虑后选择了方案二。

（二）控制器的选择

方案一：选用AT89C51作为主控器件，用来实现题目所要求的各种功能。此方案最大的特点是系统规模可以做得很小，成本较低。但是AT89C51的CPU工作频率较低，功耗较高，资源不够丰富。

方案二：选用STM32f103zet6作为系统的控制核心，能实现题目所要求的功能，而且该芯片具有32位基于ARM核心的带512K字节闪存的微控制器USB、CAN、11个定时器、3个ADC、13个通信接口。最重要的是STM32f103zet6具有超低的功耗，这是其他控制器不可比拟的优势。

在此系统中，经过细致的思考，最终选择了使用STM32f103zet6作为整个系统的控制核心。

二、理论分析与计算

根据题目设计要求，要实现降压直流开关稳压，即实现DC-DC转换，并具有过流保护功能，能实时显示电压和电流值。由此设计的原理框图如图1所示。

图1 降压直流开关稳压的原理框图

（一）DC-DC转换电路的分析与计算

根据LM5117降压控制器的应用特点及其特征，对其外围电路的分析与设计如下：

1.定时电阻RT

LM5117开关频率是通过RT引脚和AGND引脚之间连接一个外部电阻来设定的。一般来说，较高频率的应用体积比较小，但损耗也比较高。对于此作品的设计，选定230KHz，利用，可以计算得到RT值=21.7。

2.输出电感

通常情况下，较高的纹波电流可以使用较小尺寸的电感器，但为了平滑输出的纹波电压，输出电容要承担更大的负荷。本题选择的纹波电流为3A的40%。利用公式，根据题目要求，输入电压为5V，此时对应的最大电流为3A，则得到输出电感为。

3.电流检测电阻RS

转换器的性能根据K值会有所不同。此题中选择了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，最大输出电流能力（IOUT(MAX)）应高于所需输出电流的20%至50%。在此作品的设计中，选择了3A的130%。电流检测电阻值可以利用公式，

4.输出分压器RFB2和RFB1

RFB1和RFB2设置输出电压电平。两电阻之间的关系为，RCOMP和RFB2之间的比值决定了中频增益AFB_MID。较大值的RFB2可能需要相应较大值RCOMP。RFB2应足够大，以使分压器总功耗很小。在这个例子中，RFB2选择了5.1KΩ，其结果是5V输出的RFB1值为1KΩ。

5.环路补偿元件CCOMP、RCOMP和CHF

CCOMP、RCOMP和CHF可配置误差放大器增益和相位特性，以产生一个稳定的电压环路。通过选1/10的开关频率FSW，则

6.斜坡电阻RRAMP和斜坡电容CRAMP

LM5117采用了一个独特的斜波发生器，仿真电感器电流为PWM比较器提供一个斜波信号。电感电流斜坡信号是通过RRAMP和CRAMP仿真的。此题目中，设置了CRAMP=820pF。利用电感器可选择检测电阻和K系数，利

7.UVLO分压器RUV2、RUV1和CFT

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。对于这样的设计，启动电压设置为VIN=16V，VHYS=2V，CFT的值选择47pF。

8.开关管QH和QL

开关管，选择了CSD18532KCS MOS场效应管，与开关频率的协调一致。克服高边与低边MOS器件的损耗是比较不同器件相对效率的途径之一。功率MOS器件的损耗可以分解为导通损耗、栅极充电损耗和开关损耗。

9.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MOS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。自举电容设置为0.47uF。

为了更好消除纹波的大小，在输入和输出端接入了滤波电路，再结合以上分析计可得到DC-DC转换电路如图2所示。

图1 DC-DC转换电路

（二）过流保护电路的分析与计算

通过STM32f103zet6单片机控制电机驱动ULN2803，当超过设定电流值时，继电器工作，断开电源，对应电路图如图3所示。

图3 过流保护电路

三、软件设计

本设计采用STM32f103zet6处理器进行控制，应用A/D采样检测输出电压和电流，并计算出实际功率；通过预设保护电流值，实现过流保护，并能实时监控当前的电流和电压值。软件控制流程图如图4所示。

图4 软件控制流程图

四、测试结果

作品完成后，对相关参数进行了测量，测量结果如下所示：

（一）输出电压测试

测试方法：保持输入电压16V，通过调整输出电阻的大小，利用万用表测试输出电阻两端的电压，测试结果如表1所示。

表1 输出电压测试数据

（二）输出电流测试

测试方法：保持输入电压16V，通过调整输出电阻的大小，将万用表与输出电阻进行串联，测试结果如表2所示。

表2 输出电流测试数据

五、总结

经过反复调试和改进，最终的输出电压稳定，直流转换效率高，可靠性也很高，能实现在直流转换场合的广泛应用。

[1]王晓锋,王京梅,孙俊,李莉.基于SG3525的开关电源设计[J].电子科技,2011,(6)：118-121.

[2]吴茂成,许宜申,顾济华,陶智,卜树坡.高精度数控可调直流稳压电源设计[J].微型机与应用,2013,(14)：28-31.

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TM44

A

1671-5136(2017)01-0135-02

2017-03-22

吴克文（1980-），男，湖北黄冈人，黄冈职业技术学院副教授。研究方向：计算机网络技术、计算机信息安全、WEB技术应用、电脑芯片级维修、数据恢复技术。