LM5009的研究与应用电路设计

刘 昶，张 赟

（西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安 710048）

LM5009的研究与应用电路设计

刘 昶，张 赟

（西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安 710048）

为了满足对于各种电压等级的电源日益增长的需求，本文基于高性能降压芯片LM5009设计了一款直流输入电压为10 V到90 V，直流输出为19 V，输出电流为50 mA的BuckDC-DC电路，介绍了LM5009的内部结构及其各部分功能。并通过具体的实验，验证了该电路的工作原理以及LM5009在电路中的具体用法，得到了19 V的直流稳定输出。实验结果表明，该系统具有宽范围输入电压、输出电压稳定的特点，达到了设计要求。

Buck电路；LM5009；DC-DC

近些年来，随着经济的发展及技术的进步，各类消费电子产品层出不穷，从人们现在每天都要使用的智能手机，到很多家庭都使用的平板电脑，笔记本电脑，这些设备都要使用各种电压等级的电源[1-4]。为了使这些设备小型化、便携化、低成本、高集成度、宽输入[5-7]，需要使用具有这些特点的电压转换芯片，而LM5009恰能满足这些要求。

1 LM5009芯片简介

LM5009是美国国家半导体（National Semiconductor）公司（现被德州仪器TI收购）推出的一款低成本、高效率、宽输入电压范围的降压开关稳压芯片，能够提供150 mA的输出电流，当输入电压在9.5～95 V之间时均可正常工作。开关频率可以超过600 kHz，输出电压可以在2.5～85 V之间自由设置。该芯片内部集成有N沟道开关管和启动稳压器，具有电流限制保护、热关断保护，可以由外部关断控制。提供有MSOP和LLP两种封装形式，均为小型贴片式封装，外围电路简单，可以满足各种产品对于小型化、便于携带、集成度高的要求。

LM5009可以应用于12 V，24 V，36 V和48 V的交流整流系统，42 V汽车电源总线，LED电流源等。

2 Buck电路的工作原理

由于LM5009是基于Buck电路完成降压功能的，如图1所示，现将Buck电路的主要工作原理介绍如下[8-10]。

Buck电路的功能是将输入的高压降为低压，如图所示，包括开关管S，进行能量传递和滤波作用的电感L和电容C，以及续流二极管VD[11-12]。

图1 Buck变换器电路图

对于Buck变换器，工作在不连续模式时，电路分析较为复杂，在此仅对其连续工作模式进行分析，在此模式下又有两种工作状态[13-15]，如下：

3 芯片内部电路及各部分功能

LM5009的工作是基于开通时间与输入电压成反比的迟滞控制方案，该特性可以在负载和输入电压变化时保持工作频率的相对稳定。迟滞控制不需要环路补偿，所以LM5009具有超快速的瞬态响应能力。图2为芯片的内部电路及它的典型应用电路。

图2 LM5009内部结构及典型应用

该芯片内部包含有一个100 V的N沟道开关管，7 V稳压器（7Vseriesregulator），过热保护电路（thermalshutdowncircuit），Vcc 欠压锁定（UVLO），栅极驱动欠压锁定（Gatedriveunder-voltagelockout），最大占空比限制定时器（MaxDutyCyclelimittimer），过电压比较器（over-voltagecomparator），最小关断时间定时器（minimumoff-timer），调节比较器（regulationcomparator），电流限制关断时间定时器（currentlimitoff-timer），电位转换电路（levelshift），电流检测电路（buckswitchcurrentsense）。

3.1 调节比较器及过电压比较器

LM5009的控制是基于一个调节比较器，输出电压反馈（FB）与内部参考电压（2.5 V）作比较。如果FB水平低于参考电压，则开关管开通，直到FB高于参考电压为止。开通时间由输入电压和Ron电阻决定。这里需要注意的是必须保证开关管的关断时间不小于300 ns。同时芯片内部还有一个过电压保护比较器，当FB大于2.875 V时，开关管将立刻截止，这种情况一般发生在输入电压或输出负载突然变化的情况下。当FB再次小于2.5 V时，开关管会再次开启。

3.2 高电压启动稳压器

LM5009内部包含有一个高电压启动稳压器，输入脚VIN可以正常工作的电压可以达到95 V，瞬态电压可以达到100 V。该稳压器内部电流限制为9.5 mA。通电后，电流流入VCC的外部电容C3，当VCC上的电压达到6.3 V的欠压锁定值时，开关管才可以导通。

3.3 电流限制关断时间定时器

当芯片内部的开关管电流超过0.31 A时，开关管会立刻关断，这时关断时间定时器启动，而关断时间则是由外部电阻Rcl和VFB决定。当VFB=0时，有最大关断时间为35 μs。

3.4 开关管驱动电路

驱动电路会与外部自举电容C4和内部高压二极管一起工作。在BST脚和SW脚之间接一个0.1 μF的陶瓷电容C4，该电容会在开关管开通时给驱动电路提供电压。在开关管关断时，C4通过Vcc和二极管充电。

开关管关断后，续流二极管D1会给电感电流提供通道，D1应为快恢复或肖特基二极管，以最大限度地减少导通损耗和尖峰电流。

4 实验电路原理图及参数计算

本次实验参数设置如下：输入电压：10 V到90 V；输出电压：19 V；输出电流：50 mA

1）反馈电阻R1和R2

2）fS和 RON

3）电感 L1

4）C3

在VCC脚上接的电容C3不仅可以过滤噪声和滤波，还可以防止在驱动电路上的欠压锁定误触发，因此C3的值应不低于0.1 μF。

5）RCL

6）续流二极管D1

续流二极管D1应采用快恢复或肖特基二极管，其正向压降约为0.7 V左右，这里采用FR107，LM5009的实验原理图如图3所示。

图3 LM5009原理图

5 实验结果

根据以上的设计，设计出了一款基于LM5009的降压转换电路。经实验验证该电路拓扑性能良好，输出结果稳定。图4为空载时电路的输出波形，图5为带负载时电路的输出波形。

图4 空载时电路的输出波形

图5 带负载时电路的输出波形

6 结 论

文中介绍了LM5009的内部结构及其各部分功能，之后介绍了Buck电路的基本原理，并基于LM5009设计了一款降压电路，达到了较为理想的结果。但如果要在工程实践中进行广泛应用的话，还需要进一步改进输出性能以满足工程实践要求。

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The research and application circuit design based on LM5009

LIU Chang，ZHANG Yun
（School of Electric and Information，Xi'an Polytechnic University，Xi'an 710048，China）

In order to meet the growing demand for avariety of voltag elevels of power.This paper design a DC input voltage 10 V to 90 V，output DC 19 V and output current of 50 mA buck DC-DC circuit based on the high performance buck chip LM5009，introducing the internal structure of the LM5009 and its functions.Through the concrete experiment，verified the circuit working principle and the concrete usage of LM5009 in the circuit，obtained the 19V DC stable output.The experimental results show that the system has a wide range of input voltage，output voltage stability characteristic，has reached the design requirements.

Buck circuit；LM5009；DC-DC

TN409

：A

：1674－6236（2017）13-0166-04

2016-05-05稿件编号：201605040

刘 昶（1991—），男，陕西西安人，硕士研究生。研究方向：电子变换与传动。