基于LTC3789的智能终端开关电源设计

徐 晶 ，曹昌圣

（1.武汉邮电科学研究院 湖北 武汉 430072；2.武汉长江通信智联技术有限公司 湖北 武汉 430072）

基于LTC3789的智能终端开关电源设计

徐 晶1，2，曹昌圣1，2

（1.武汉邮电科学研究院 湖北 武汉 430072；2.武汉长江通信智联技术有限公司 湖北 武汉 430072）

针对一款应用于公交的智能车载监控终端，设计了一种基于Linear Technology公司的控制器LTC3789的四开关Buck-Boost开关稳压电源电路。根据车载情况确定电源的开关频率、输入输出电压范围、电流范围来选择合适的电感，MOSFET管，输入输出电容等相关元器件，设计了相应的电源电路。利用仿真软件LTspice IV对电源的转换效率和带载能力进行了仿真，验证了该开关电源可稳定输出预期电压并有较强的带载能力。

LTC3789；Buck-Boost；开关电源；LTspice IV

电源是电子设备的心脏，没有电源一切电子设备将无法正常工作。随着电子技术的发展，电子设备的种类越来越丰富，对电源的要求更加灵活多样，其以轻、薄、小和高效率为发展方向。开关电源作为电源的一种，现广泛应用于军工、科研、通信等领域。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率来维持稳定输出电压的一种电源，其效率达到了70%～95%，被誉为高效节能电源，近几年得到了比较迅速的发展[1-4]。

在公交车中，由于环境的影响，有时会出现电压不稳的情况，因此，在该开关电源工作时要有较好的抗干扰的特性，能稳定输出电压[5]；另外，该车载终端需外接摄像头、刷卡器、对讲机等外部设备，所以，该开关电源也应有一定的带负载能力。基于以上要求设计了一种基于LTC3789的电源芯片的Buck-Boost开关稳压电源。此开关电源的设计目标是：当输入电压为+5 V～+36 V时，能实现稳定的+12 V电压输出并有较高的转换效率和较强的带负载能力。

1 LTC3789芯片简介

LTC3789是一个提供输出电压高于，等于或低于输入电压的电流模式控制器，其具有恒定频率，它的电流模式架构允许的锁相频率高达600 kHz，输出电流反馈环路用于电池充电[6]。LTC3789具有4 V到38 V（最大40 V）的宽电压输入和输出范围以及工作模式之间的无缝转换使该器件非常适用于工业控制、太阳能和大功率电池供电系统等众多应用[7]。

2 仿真工具介绍

LTspice IV是由Linear Technology公司提供的免费模拟软件，具有集成电路图捕获和波形观测功能[8]。不但可以进行瞬态分析、交流小信号分析、直流扫频、噪声分析、直流传递函数和直流工作点分析，而且还能计算仿真时间内各器件的电压、电流平均值和有效值，各器件的平均功率损耗和瞬时功率损耗，这个功能是其他的仿真软件中没有的，可极大地方便电源设计，提高所设计电源的工作效率[9]。

3 电源电路设计及工作原理分析

3.1 基于LTC3789的开关电源电路

基本电路如图1所示。在电路中，运用了4个N-MOSFET管的同步整流技术，该技术采用导通电阻极低的MOSFET管来取代整流二极管，能在一定程度上降低电路的损耗，从而提高转换效率[10]。

图1 基于LTC3789开关电源的电路图

3.2 电路元器件参数选择

1）工作频率的设定

LTC3789可提供一个200 kHz至600 kHz的可锁相固定频率，但是较高的工作频率会使开关损耗增加，从而降低了转换效率。在本设计中选择的开关频率 f为220 kHz[7]。

2）输出电压的设定

输出电压是由输出电容两端的外部反馈电阻分压器设定的，通过与内部的0.8 V参考电压相比较得出输出电压。确定了输出电压的值后，R1和R2的阻值就可以根据输出电压来选择。计算公式如下[7]：

3）电感的选择

电感值的选择与工作频率大小相关，为了提高效率，在实际电路中一般选择底铁氧体式的电感。电感的纹波电流被设定为在升压模式下VIN（MIN）时的最大电感电流的20%～40%，电感值的计算公式如下[7]：

式中 f是工作频率；VIN（MIN）是最小输入电压；VIN（MAX）最大输入电压；VOUT是设定的输出电压；IOUT（MAX）是设定的最大输出负载电流；%Ripple是允许的电感器纹波电流百分比，一般取30%。经过计算，选择电感值为6.8 μH。

4）输入输出电容的选择

在开关电源里，电容主要用来吸收纹波，平滑电压波形[11]。由于制造材料有限制，电容有一个等效串联电阻（ESR），由于电阻自身会产生一个压降，电容器两端的电压会发生变化，就高性能应用而言，ESR和总电容对于最大限度地抑制输出纹波电压和优化负载瞬态响应都是十分重要的，所以需选择低ESR的电容[12]。为保证输出电压纹波小，可以采取几个电容并联的方式，以降低整体的电容的ESR值。本设计中输入和输出电容的值分别为3.3 μF，2.2 μF。

5）MOSFET管的选择

LTC3789需要4个外部N沟道的MOSFET管，2个作为顶部开关，另2个作为底部开关。MOSFET管在开关电源中是作为电子开关使用的，它的导通和关断是需要时间的，即存在开关损耗，开关频率越高，MOSFET管的开关损耗越大[13]。为了保证转换效率，应尽可能减小的开关损耗，需选择导通电阻小的MOSFET管[14]。本设计中选择的MOSFET型号为Si7884DP。

3.3 工作原理分析

1）Boost型工作模式

当VIN＜12 V时，进入升压模式，开关Q1始终保持接通，而开关Q2始终保持关断。在每个周期中开关Q3首先接通，输入电压通过开关Q3对电感进行充电，并对电感电流进行检测，当电感电流IL高于阈值时，开关Q3断开，开关Q4打开，电感放电实现升压。开关Q3和Q4就这样交替通断实现稳定的升压输出。图2（a）所示的是输入电压为8 V时的各个MOSFET管的电压波形图。

2）Buck型工作模式

当VIN＞12 V时，进入降压模式，开关Q4始终保持接通，而开关Q3始终保持关断。在每个周期中开关Q2首先接通，对电感L进行持续泄流放电，实现降压；同时对电感电流进行检测，当电感电流IL低于阈值时，开关Q2断开，开关Q1打开，对电感进行充电。开关Q1和Q2交替通断实现稳定的降压输出。图2（b）所示的是输入电压为24 V时的各个MOSFET管的电压波形图。

3）Buck-Boost型工作模式

当 VIN接近12 V时，进入升压/降压模式，开关Q1、Q2与开关Q3、Q4两组开关交替接通，电路通过调节开关的导通时间（周期不变）来达到稳定输出电压的目的[15]。图2（c）所示的是输入电压为11 V时的各个MOSFET管的电压波形图。

4 仿真结果及分析

4.1 电源转换效率实验

在该实验中，使用相同负载不同输入电压。采用的负载为10 Ω，输出电流为1.2 A，输入电压分别是+5 V，+10 V，+15 V，+20 V，+25 V，+30 V，+36 V。具体数据如表1所示。

表1 相同负载不同输入电压实验结果

4.2 带载能力实验

在输出电压稳定后，能带多大的负载才是最终目的。在该实验中，使用相同输入电压不同负载，输入电压设置为+24 V，负载分别为5 Ω，10 Ω，15 Ω，20 Ω，25 Ω，30 Ω，50 Ω，80 Ω，100 Ω，200 Ω，具体数据如表2所示。

表2 相同输入电压不同负载实验结果

5 仿真结果分析

在电源转换效率实验中，对于+5～+36 V的输入电压，在正常带载的情况下，控制器都能实现90%以上的转换效率；在带载能力实验中，随着输出电流的增大，电源转换效率呈递增趋势[16]，超出一定负载能力之后，转换效率变小。

6 结束语

电源是电路中最重要的部分，本文针对未来通信电源模块的发展趋势，提出并设计了一种基于LTC3789的四开关Buck-Boost开关稳压电源电路，选择了合适的外围元器件参数后，对电源电路的转换效率和带负载能力进行了仿真分析，得出了相应的实验数据；验证了该电路在+5～+36 V输入电压范围内能稳定输出12 V，并具有转换效率高和带负载能力强等特点，达到了设计要求。

图2 不同输入电压下的各个MOSFET管的电压波形图

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The design of intelligent terminal Buck-Boost type switching power supply based on LTC3789

XU Jing1，2，CAO Chang-sheng1，2
（1.WuHan Research Institution of Posts and Telecommunications ，WuHan 430072，China；2.Wuhan YCIG iLink Technology Co.，Ltd，WuHan 430072，China）

A four switch Buck-Boost power supply based on Linear Technology Corporation's controller LTC3789 is used in a kind of intelligent vehicle monitoring terminal for the bus.In order to select suitable inductor，input and output capacitors and MOSFETs and design relevant power converter，the switching frequency，input and output voltage range，current range must be determined according to vehicle-mounted conditions.The simulation of transfer efficiency and load capacity of power supply by LTspice IV shows that this switch power can export expected voltage stably and own large load capacity.

LTC3789； Buck-Boost； switch mode power supply； LTspice IV

TN919.82

A

1674－6236（2017）16-0154-04

2016-06-30稿件编号：201606238

徐 晶（1992—），女，湖北松滋人，硕士研究生。研究方向：视频监控。