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1、摘 要 开关稳压电源具有集成度高、外围电路简单、电源效率高等优点,在各种电子产品中得到广泛的应用。尤其是基于电池供电的便携式系统数量日益增长,开关稳压电源已经取代效率较低的线性稳压器,成为现代超大规模集成电路系统中不可或缺的部分。本文主要研究降压型直流开关稳压电源。 本文首先介绍了降压型开关稳压电路的概念，并在此基础上设计几种方案，通过比较与分析采用了基于同步降压控制器LM5117PMHE，Mos管CSD18532KCS的Buck电路，并根据降压控制器和场效应管的特性进行了理论分析与计算。其次，本文利用TI在线仿真软件对理论计算进行了仿真验证，仿真结果与理论计算一致。最后，本文介绍了测试方案与
2、条件，并对测试结果进行了分析。关键词：降压型直流开关稳压电源 LM5117PMHE CSD18532KCS Abstract Switching power supply has many advantages such as high integration, simple external circuit and high efficiency power supply. It has been widely used in various electronic products, especially with the growing number of portable systems
3、, which based on battery-powered, switching power supply has been replaced by less efficient linear regulators and becoming an indispensable part of modern VLSI systems .This paper mainly studies a step-down switching regulator DC power supply. This paper introduces the concept of the stepdown switc
4、hing regulatorcircuit, and shows several schemes on this basis. Analyzing and comparing with each schemes, we use a buck circuit which based on synchronous buck controller LM5117PMHE and MOSFET CSD18532KCS. According to the characteristic of buck controller and MOSFET，we have several analyses and ca
5、lculations. Secondly, we use TI-online simulation software and the simulation results is consistent with the theoretical calculation. Finally, this paper describes the test schemes and conditions, and the test results are analyzed.Key words: Switching power supply, LM5117PMHE, CSD18532KCS一、设计任务及说明1.
6、1任务以TI公司的降压控制器LM5117芯片和CSD18532KCS MOS场效应管为核心器件，设计并制作一个降压型直流开关稳压电源。额定输入直流电压为UIN=16V时，额定输出直流电压为UO=5V，输出电流最大值为IOmax=3A 。测试电路可参考图1。图1 电源测试连接图（负载识别端口名称改为输出控制端口）2要求（1）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）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，负载调整率：Si=UO轻载
7、UO满载-1100%5% (UIN=16V)； （5）UIN变化到17.6V和13.6V，电压调整率：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； （8）增加1个2端子端口，即输出控制端口，端口可外接电阻R(1k10k)，参考图1。电源输出电压UO由下式确定 UO=R1k(V)； （9）尽量减轻电源重量，使电源不含负载RL的重量0.2kg。 （10）设计报告 二、方案论证2.1主电路的论证与选择2.
8、1.1 DC-DC主回路拓扑电路的论证与选择方案一：采用如图2-1所示的DC-DC拓扑电路，令其工作在Buck电路模式。Buck电路是一种主要的降压型DC/DC变换拓扑，通过单片机或DSP控制开关器件S的占空比来控制输出电压，其拓扑结构简单，控制方便，但此电路在输出电流较大时稳定性变差，效率受到较多因素制约，且总重量较重，无法满足要求。图2-1 DC-DC拓扑电路方案二：采用基于同步降压控制器LM5117的Buck电路，如图2-2所示。图2-2 LM5117拓扑电路LM5117的控制方法基于采用仿真电流斜坡的电流模式，它适用于各种输入电源的降压型稳压器应用。使用仿真控制斜坡可降低脉宽调制电路对
9、噪声的敏感度，有助于实现高输入电压应用所必需的极小占空比的可靠控制。LM5117 的工作频率可以在 50 kHz 至 750 kHz 范围内设定，可利用自适应死区时间控制来驱动外部高边和低边NMOS 功率开关管。可选的二极管仿真模式可实现非连续模式操作，提高轻负载条件下的效率。高电压偏置稳压器可利用外部偏置电源进一步提高效率。综合方案一和二，可以得出结论，方案一的电路由于需要用额外的驱动电路来控制MOSFET，必然会带来重量的增加和效率的下降，另外利用软件实现闭环，可能达不到赛题要求的电压精度；方案二则完全采用硬件电路来实现，难点在于参数计算与调试，但一旦实现，电路极其可靠，而且重量轻，输出稳
10、定，经济性价比高，可以较好的满足题目的各种指标。综上所述，决定采取方案二。三、理论分析和计算3.1降低纹波的方法MOSFET的开关频率，输出滤波稳压电容的大小，以及电路反馈端电阻阻值的精度和温度稳定性，都会影响电路输出电压的纹波。 开关频率的大小会影响输出电压纹波的大小，但是开关频率过大，又会影响电路的功耗。所以我们将开关频率设定为131k，从理论上将电压纹波的波动减到一个非常小的数值； 若是电路的输出反馈电阻随温度上升变化得很厉害，也会影响到输出电压。所以对于输出端分压电阻RFB2和电阻RFB1，我们选择温漂较小的精密电阻，以实现输出电压平均值基本不随电路持续工作时间而改变。 输出电容器可以
11、平滑电感纹波电流引起的输出电压纹波，并在瞬态负载条件下提供一个充电电源。针对本赛题，我们选择最大 ESR 为 20 m 的 一个470 F 和一个220F的电解电容作为主输出电容。并在输出端又并联两个22F，两个100nF，一个100pF的低 ERS/ESL 陶瓷电容器，以进一步降低输出电压纹波和尖峰。3.2 DC-DC变换方法同步降压控制器LM5117可以实现DC-DC变换，它集成了高边和低边 NMOS 驱动器。稳压器控制方法基于仿真电流斜坡的峰值电流控制模式。峰值电流模式控制提供了固有的输入电压前馈、逐周期电流限制，同时简化了环路补偿。使用仿真控制斜坡可降低 PWM 电路的噪声敏感度，有助
12、于可靠处理高输入电压应用所必需的极小占空比。LM5117 采用的独特的斜坡发生器，它实际上并不测量高边开关管电流，而是重建这个信号。表征或仿真电感器电流为 PWM 比较器提供了一个斜坡信号，此信号没有前沿尖峰，也无需测量或滤波延迟，同时保持了传统峰值电流模式控制的优点。电流重建由两部分组成：采样和保持直流电平和仿真的电感电流斜坡，如下图所示。采样和保持直流电平是由测量流经电流检测电阻的循环电流得出的。只有在高边开关管的下一个传导时间间隔开始之前，才能对检测电阻两端的电压采样和保持。电流检测放大器的增益为 10，采样和保持电路提供了重建电流信号的直流电平。图3-1 电流的重建在LM5117内部有
13、一个高精度0.8V电压给定，RFB1两端电压在稳定时一定为0.8V，所以设定RFB2和RFB1的比例，就可以设定输出电压，实现DC-DC变换。输出电压的表达式为：RFB2RFB1=VOUT0.8V-13.3稳压控制方法内部高增益误差放大器可以产生一个与 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。当电路产生波动时，瞬间RFB1两端的电压不为0.8V，则误差信号输入进LM5117处理后，改变输出端两个MOSFET的开通关断占空比，就可以使输出电压稳定在一个固定值。图3-2 反馈配置和 PWM 比较器四、电路与程序设计4.1主电路的设计与器件的选择根据赛题要求可知，LM5117
14、输入输出条件为： 输出电压 Vo= 5V 满载电流 Iomax= 3A 最小输入电压 Iin（max） = 13.6V 最大输入电压 Vin（max） = 17.6V由于题目中要求的效率为85%以上，计算知：当额定负载时，电路输出功率为15W，若假设电路的效率就是85%，则可得输入端功率为17.647W，这样，电路总损耗要小于17.647-15=2.647W。一般来说，较高频率的应用体积较小，但损耗也较高。为了满足题目中85%效率的要求，开关频率应尽量小；为了满足题目中总装置重量小于200g的要求，开关频率要尽量大，综合两者分析，选定折中的开关频率为131kHz。电路参数计算过程如下：4.1.1 定时电阻 RT电阻RT计算公式如下：RT=5.2109fSW-948 =5.2109131k-948=38.8k同时算得MOSFET的最大占空比DMAX=0.37, 最小占空比DMin=0.28，实际电路RT取值为39k。4.1.2 输出电感 Lo最大电感纹波电流出现在最大输入电压时。通常情况下，20 至 40 的满载电流是在磁芯损耗和电感铜损之间一个很好的折中方案。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。针对此题，选择纹波电流为 3A 的 40。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，电感值可以用以下公式计算
