基于LM3150的Buck型DC-DC电源设计与仿真

潘 佳

(安徽理工大学,安徽 淮南 232001)

0 引言

为了使开关电源的性能满足电子产品对高性能、小体积及高可靠性要求,开关电源设计人员会对元器件选择、拓扑结构选择和辅助电路设计等方面进行优化研究[1]。本文以低电压高效率Buck型DC/DC变换器为研究对象,对其主电路进行了分析与设计。针对LM3150的工作特点,本文先将主电路进行拆分,从而利用主电路中两个功率管同时控制推挽式拓扑与全桥式拓扑;后基于LM3150的主要性能指标选择其外围元器件,其中包括功率管、电感和电容等;接着设计出该芯片的外围电路。借助WEBENCH工具可以根据电源芯片LM3150实际情况并考虑价格成本以及精巧设计等因素,设计出一个符合预期要求的电源。

1 主要结构分析

1.1 电源芯片LM3150相关知识

LM3150是一款典型的开关电源控制芯片,具有工作频率高;功耗低;驱动能力强等优点。LM3150的内部集成了两个全桥结构,因此它可以在单个PCB电路板上安装。它还具有非常广泛的应用范围,例如该器件可用于电池供电的产品、便携式设备、电池供电显示器等。内部还具有可编程启动电路、自动稳压电路和过流过压保护等电路。

1.2 WEBENCH Power Designer设计工具介绍

这是美国公司德州仪器(TI)设计的一种用于电源设计以及电源仿真的线上软件,它的使用功能十分强大,比如电源,比较器,放大器以及滤波器等的电路元件,还包括音频信号和无线信号等信号传播方式,该软件都可用以对其进行设计与仿真。

1.3 Buck变换器工作原理介绍

Buck变换器电路如图1所示。

图1 Buck变换器电路

参考图1的变换器电路,可以知道组成串联开关稳压电源的主要结构部分有:MOS管M1,单向通过的二极管D1,外接电容C1和电感L1,作为分压电阻的R1和R2,保护电容RL,以及由误差放大电路、采样电路、脉宽调制电路(PWM)和驱动电路组合起来的反馈电路[2]。

通常在使用MOS管M1和单向二极管D1的情况时,考虑的是它们是否处于一种理想情况,即理想元器件M1和D1不存在正向导通压降和关断漏感电流,以及可以在电路运行时迅速开合或者关断;在使用电感电容时也得考虑是否是理想情况,比如当它们处于理想情况下,与电容C和电感L串联的等效电阻都不存在;还有就是在考虑输出电压中存在的纹波电压,这是影响转换效率的一个重要元素,当然,由于输出纹波电压相比较于输出电压来说很小,所以一般可以考虑它不存在[3]。

2 基于LM3150Buck型DC-DC电源设计

在设计开关电源的时候,考虑的问题无非就是几个基础问题:转换效率、价格以及占地面积等。而在考虑的时候,就是把上述问题都达到他们的最佳选择,然而效率、价格、体积等相关的参考要素是电路的开关频率以及电路基于MOS管和二极管产生的功率耗损。

在仿真软件上设计了电路,如图2所示。设置出如图的基本参数。后续问题就是对功率的优化。

图2 基于LM3150Buck型DC-DC电路

2.1 变换器的效率问题

考虑压降,即考虑M1和D1的功耗问题,以及伴随的变换器效率问题[4]。

MOS管M1和单向二极管D1包括了两部分的功率损耗,其中一个损耗是两者在正常运行时,电流流过两个器件,所产生的正向压降,从而制造的正常功耗,即稳态功耗PD;另外一个就是这两个元器件在电路运行切换至电路停止工作的小段期间内,流过电流以及元件电压所制造的多余损耗,即瞬态功耗PA。

通常取正向压降为0.7 V。所以PD=0.7I0。表达式中I0代表的是Buck变换器的输入电流[6]。

电压下降和电流上升可以表示为:

(1)

其中,Udc为MOS管M1所能承受的峰值电压。设定Ton=Toff=T1,则一个周期内的PA=E/T。消耗的能量E的表达式如下:

(2)

由此得到PA的表达式为:

(3)

综上所述效率η的表达式为:

(4)

根据表达式可以知道变换器的转换效率与变换器的周期,即T呈正相关,又由于频率f=1/T,也就是说与开关的工作频率f呈负相关,意味着当f增大的时候,转换效率反而要降低[5]。为此在软件上进行DC-DC电源电路的设计。

依据表1可知,在精巧,价格以及效率等因素的影响之下,单独作用都不是最佳的选择,所以选择最折中的方案,即平衡方案。

表1 方案对照表

2.2 电感与效率的关系

变换器的输出电流,与变换器外界电感的电感值息息相关,而输出电流又和周期频率有关。所以电感值是影响效率的。

当变换器位于CCM工作模式的时候,表达式有:

(5)

(6)

可以得知当电感值越大的时候,开关频率越小,导致转换效率越高。故根据表1的平衡方案的选择去改变外界电感的大小[5]。如表2:

表2 电感值方案对照表

2.3 外部电阻Ron与效率的关系

依据电源芯片LM3150引脚功能显示来看,Ron引脚的功能是控制高压侧开关导通的时间。为保持相对稳定的开关频率,电源芯片会自动调节输入电压与导通时间的关系。

(7)

(8)

(9)

K为常数,D为占空比。由上述公式可知连接电阻与开关频率呈负相关,当外部电阻阻值越大,开关频率越小,导致转换效率越高。故根据表2的SRR1260-120M方案的选择去改变外接电阻阻值。如表3:

表3 阻值方案对照表

在电感值选择12μH,型号为SRR1260-120M的电感的基础之上,再去选择型号为CRCW080593K1FKEA,阻值为93.1 kΩ的电阻,价格也达到了更好的结果,开关频率为308 kHz,达到了最理想的转换效率95.1%。

3 设计仿真演示

就以上方案在软件上对该电源电路进行实验仿真。

图3所展现的是变换器转化效率随电流及输入电压Uin的变化曲线,在曲线图中,可以清楚地看到电压等级和转换效率的关系呈负相关。图中分别是10 V,12.5 V和15 V三个输入电压条件下转换效率的关系曲线。

输出电压峰峰值与输入电压的关系如图4所示,该图中所要展现的是稳定度的关系,即输出电压是否稳定。由图可以看出在输入电压为15 V,输出电流为2 A的时候,输出电压峰峰值为0.025 V,都是很小的数值,足以体现输出电压的稳定性。

图4 峰峰值电路图

由此可以说明,基于LM3150设计的Buck型开关电源电路,能够实现输出3.3 V的稳定电压,以及2 A的电流,同时电源的转换效率也成功达到了95.1%。所以在一定的限制条件之下完成了设计要求。

4 结束语

基于对DC-DC变换器的基本工作原理运用,以及其中一个十分重要的使用参数,即转换效率,仿真设计电源电路需要用到的电源芯片LM3150以及WEBENCH设置开关电源的每个元器件数值,并综合考虑其价格、频率、精巧设计等方面的升级优化。最后通过软件仿真检验到设计出来的电源的稳定性很强,且转化效率更高。