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1、降压型直流开关稳压电源（A题）学校：东北石油大学参赛选手:卢鑫坡 曲记锋 宋忠民指引教师:张明摘 要：本系统以TI公司的LM511及S1832C场效应管为核心,设计制作了该降压型开关直流稳压电源。额定输出电压为,输出电流最大值为3A。该系统前端是以M57为核心构成的C-DC直流转直流降压电路,从而拟定所需的PW调制方式，通过几级滤波最后清除纹波，完毕了总体电路的设计。该作品较好地满足了竞赛题目规定。核心词：开关电源 LM17 SD18532KCS场效应管 1设计任务1.基本规定()额定输入电压下，输出电压偏差：UO=5V-UO100mV； (2）额定输入电压下，最大输出电流:IO3A； （3)
2、输出噪声纹波电压峰峰值：UOPP50mV(UIN=16V,IO=IOmax)； （4）IO从满载IOmax变到轻载0.2IOmax 时,负载调节率:Si=UO轻载UO满载-1100%5% (UIN=16V); (5)UIN变化到1.6和.6，电压调节率:SV=maxUO17.6V-UO16V,UO16V-UO13.6VUO16V100%0.5% (RL=UO(16V)IOmax)（6）效率85%（UIN=16V，IO=IOmax）； (7）具有过流保护功能,动作电流IOth=3.20.1A；（）增长1个二端子端口,即输出控制端口,端口可外接电阻R(k-10)。电源输出电压UO由下式拟定:UO=
3、R1k(V)；(9）尽量减小电源重量,使电源不含负载的重量不不小于.2Kg；2.系统方案2.1方案提出运用L511制作一种恒流稳压器，经查该芯片数据手册知，可以通过调节电流控制,电压控制两部分的开合关系，来实现升压和降压的功能，最后达到DC-DC变换的目的。具体电路原理图如后图5-1所示。.2系统整体框图DC-DC降压部分去耦滤波消除高频噪音直流输入部分负载RL环形路型补偿仿真电流检测5V、3A直流输出去耦滤波RC滤波图2降压型开关稳压电源设计总体框图3.电路理论分析31具体实现措施（1）减少纹波的措施运用前馈控制的措施对低频纹波进行滤除,对于高频纹波,则运用多级滤波的方式,来进行滤除。(）C
4、-C变换措施在DCDC控制措施的选择上,我们考虑了诸多,最后决定采用目前比较成熟的W脉宽调制技术来实现对该系统的数字化控制，把直流电压变换为另一数值的直流电压最简朴措施是串联一种电阻，这样不波及变频的问题,显得很简朴,但是效率低。用一种半导体功率器件作为开关,使带有滤波器(L或/和）的负载线路与直流电压一会儿接通,一会儿断开,则负载上也得到另一种直流电压,这就是-DC的基本手段,类似于“斩波”(Chop）作用。一种周期Ts内,电子开关接通时间tn所占整个周期Ts的比例,称接通占空比(D，D)=ton/;断开时间tff所占Ts比例，称断开占空比（D,D)tfT。很明显，接通占空比越大，负载上电压
5、越高;/Ts=f称开关频率，fs越高,负载上电压也越高。这种DCDC变换器中的开关都在某一固定频率下(如几百千赫兹）工作，这种保持开关频率恒定，但变化接通时间长短（即脉冲的宽度)，使负载变化时，负载上电压变化不大的措施,称脉宽调制法(Pusedthdtin,简称为PWM）。由于电子开关按外加控制脉冲而通断,控制与自身流过的电流、二端所加的电压无关，因此电子开关称为“硬开关”。很明显,由于硬开关关断和开通时，开关上同步存在电压、电流，损耗是比较大的，但无论如何比串联电阻变换措施损耗小得多。这就是开关电源的长处之一，整个控制系统的整体框图如图3-所示。(3)稳压控制措施在输出端对输出电压进行取样，
6、得到的样本电压传播至LM51的FB端口接到内部误差放大器反相输入端，内部高增益误差放大器可以产生一种与FB 引脚电压和内部高精度 0.8V基准之差成正比的误差信号。W 比较器通过一种 1.2V 内部压降,比较取自斜坡发生器的仿真电流检测信号和误差信号，控制PWM信号，进而达到控制输出电压的作用。在芯片的COMP引脚接入环路补偿元件,通过变化其数值可配备误差放大器的增益和相位特性。图3-14.元器件选择与参数计算4.1拟定开关频率为了以便后续电源有关元器件参数选择，一方面进行开关频率选择,根据技术手册，较高频率的应用体积较小,等损耗较高。在本次设计中,为了达到任务规定,达到高效率小尺寸的规定,采
7、用230kHz作为折中方案。同步根据拟定频率拟定定期电阻RTRT=5.2109230102-948=21.7k (4.1.1).2输出电感最大电感纹波电流出目前最大输入电压时。根据技术手册，为了平滑输出的纹波电压,输出电容要承当更大的负荷。选择的纹波电流为 32A的 4。已知开关频率、最大纹波电流、最大输入电压和标称输出电压，电感值可以用如下公式计算：L0=VOUTIPPMaxfsw1-VOUTVINmaxH12.1 (42.）根据公式计算L0选择最接近原则值为1H4.3电流检测电阻 由于M5117采用了一种独特的斜坡发生器，它可以重建电流信号，表征或仿真电感器电流为PWM比较器提供了一种斜坡
8、信号,此信号没前沿尖峰，无需测量或滤波延迟，并保持了老式峰值电流模式控制的长处。电流重建涉及采样和保持直流电平和仿真的电感电流斜坡。如图-1所示。 图4 正斜率电感电流斜坡是连接在RM和AGND之间的CRAMP，以及连接埃在和RMP之间的RRAMP进行仿真的。根据数据手册,CRAMP采用了高质量的陶瓷电容器。CRAMP，RRAMP的选择可用K洗漱减缓,该系数可以定义为： K=L0RRAMPCRAMPRsAs (4.3.1) 转换器的性能根据值会有所不同。对于这个例子，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(OUT (MAX)应高于所需输出电流
9、的 0至 5%。RS=VCSTHIOUTMAX+VOUTKfSWL0-IPP2 (4.3.2) RS=0.053.2A+5230kHz10uH-1.04A2=20m (4.3.3).4斜坡电阻RRAMP和斜坡电容CRAMP 电感的电流斜波信号在此设计中是由RRAMP和CRAMP仿真的，这里把CRAMP的值设立在1nF，K值选择为1，RRAMP可由如下公式计算:RRAMP=L0KCRAMPRSAS （4.4.1）通过计算RRAMP=05 UVO分压器RUV2, RUV1,CFT启动电压和迟滞是由RUV2和 RUV1的值来设定的,电容CFT为分压器提供滤波,本设计中，启动电压设立为2V,VHYS设
10、立为2V。RUV2, RUV1的值通过如下公式计算:RUV2=2V20uA=100k (4.5.1)RUV1=1.25V100k12V-1.25V=11.63k (4.5.2)通过度析与计算,RUV2选择值为10 k。RUV1选择的是1.63 k。CFT的值选择.1。6 缓冲元件R SNB 和 CSNB根据数据手册低边 NMOS 器件两端的电阻电容缓冲网络可减少开关节点的振铃和尖峰。过多的振铃和尖峰也许会导致运营不稳定,还也许将噪声耦合至输出电压。本次设计选择缓冲器值通过实证的措施来完毕。一方面明确缓冲连接导线长度很短。从 5和 50 之间的电阻值开始。为了线路更加合理,我们选择了最小值的缓冲
11、电容，可以在重负载条件下为开关波形尖峰提供足够的阻尼。4.7自举电容CHB 和自举二极管DHB在每个周期的启动期间，B 和 W 引脚之间的自举电容提供栅极电流,对高边 NMO器件栅极充电,还为自举二极管提供恢复电荷。本设计中拟定CHB理论值最小为.29f,实际选择为07f。. VCC电容CVCCVC电容 (CVCC) 的重要用途是为 LO驱动器和自举二极管提供峰值瞬态电流,并为VC稳压器提供稳定性。这些峰值电流可达几安培。数据手册建议的CVCC 值应不不不小于0.47 ，且应当是一种良好品质的低 ER 陶瓷电容器。CVCC 应连在IC 引脚上,以尽量减少也许由引线电感引起的破坏性电压瞬变。根据
12、实验状况,本次CVCC0.9u，根据实际状况我们选择1f。49VIN 的滤波器RVIN、CVIN VIN上的R-滤波器是可选的。滤波器有助于避免注入到VN引脚的高频开关噪声引起的故障。本次设计中,CVIN采用了047陶瓷电容器。RVIN选定为.9。4.10软启动电容 CSSSS引脚的电容(CSS) 决定软启动时间 (tSS)，它是达到最后稳压值的输出电压持续时间。tSS=0.1F0.8V10A (4.10.1)因此该软启动时间为 8 s，SS 选择的值为 0.1。4.1输出分压器RFB2 和RFB1RFB1 和RFB2设立输出电压电平。这些电阻的比值计算公式为：RFB2RFB1=VOUT0.8
13、V-1 (4.11.1)RCOMP 和RFB2之间的比值决定了中频增益 AFB_ID。通过计算环路补偿元件CCOMP、RCOMP和 CHF4.1 CCOMP、RCOMP 和 CHF可配备误差放大器增益和相位特性,以产生一种稳定的电压环路。 为了拟定具体值,我们通过四个环节进行展开计算。第一步：选择fCROSS 通过选择十分之一的开关频率，fCROSS可拟定为23kH。第二步:拟定所需的RCOMP已知fCROSS，RCOMP可计算如下:RCOMP=2RsAsCoutRFB2fCROSS (4.2.1）计算得RCOMP=.5第三步：拟定CCOMP以消除负载极点已知RCOMP，CCOMP可计算如下:CCOMP=RLOADCOUTRCOMP F （4.12) 计算得CCOMP=2 第四步：拟定CHF,以消除S零点已知已知RCOMP和CCOMP,CHF可计算如下:CHF=RESRCOUTCCOMPRCOMPCCOMP-RESRCOUT (4.12.3)计算得CHF=189 pf在以上理论计算基本上实际选择CCOMP=2.0nf, RCOMP24K，CHF=22。5.电路设计及器件选择5.1 C-DC实现电路运用如图31所示电路实现C-C高压直流转低压直流的功能，该图为一种直流稳压源的原理图,这个恒压稳压器是运用反馈输入电流
