基于LM5117的降压型开关稳压电源设计

基于LM5117的降压型开关稳压电源设计

高德祥

浙江杭可科技股份有限公司 浙江 杭州 311215

摘要：为了更好地发挥DC-DC开关电源在体积、质量、成本等方面的优势，从切换速度、频率、效率、安全、环境等方面考虑，研制了一种以LM5117为核心，采用CDS18532KCS MOS作为主要器件的低功耗开关电源。主要介绍了DC-DC降压模块、 PWM调制模块和减少纹波的方法，并对LM5117周边电路进行了详细的设计考虑。系统的硬件部分主要是对 MOS管的滤波器和驱动电路进行了优化。实验表明，在额定输入电流时，最大输出电压为5 V，误差在15毫伏以下，最高可达到3 A，且具有较好的运行性能。

关键词：直流-直流开关电源；电压下降调节器；开关调节器； MOS管驱动器

1前言

20世纪五十年代初期，开关电源逐渐取代了工作电源，它具有体积小、重量轻、高效率、高稳定等优点，在工业电子等方面得到了广泛的应用。到了90年代，开关电源已经进入了快速发展的关键阶段，在军事、电子、电力、家电等关键应用中得到了广泛的应用。二十一世纪，开关电源已经被应用于手机，个人电脑，消费电子，家用电子，学校设备，以及工业机械。在目前的应用环境中，如何快速、高频率、高效率、安全、环保的供电方式，是目前国内外许多学者所关注的问题。本文试图以CDS18532KCS MOS等器件为核心，围绕LM5117进行低功率开关电源的研制。

2设计计划

2.1基本线路

DC-DC同步整流电路包括 LC低通滤波电路，同步整流电路，开关电路，以及负载电阻器，在图1中显示了DC-DC同步整流电路。采用同步回路，可以有效地提高转换效率；功率 MOSFET采用的是整流型二极管.该方案能实现对两个 MOS晶体管的切换时间的控制，从而实现对输出电压的控制。

图 1 同步整流电路原理图

LM5117是一种适用于高输入和高输出功率的降压电路。LM5117采用了一种自带输入电压前馈和循环电流的电流梯度调节模式。该方法能有效地减小 PWM电路的噪声灵敏度，特别适合在需要较高的输入电压时使用。

2.2减少波纹的方法

开关电源输出的直流电压，受脉动和噪音的影响，具有 AC成分。在开关机工作时，由于直流电压的变化，使其在开关机运行时出现波纹，从而引起输出电压的不稳定。

由于开关电源具有较大的振幅，因此由共模纹波、

由于振和闭环控制等原因造成的纹波噪声具有较高的谐复杂度，很难对其进行滤波。通过试验，证实了电源的脉动是由开关频率的脉动和高频的脉动引起的[1]。切换频率波动是指通过开关动作对电容进行充电和放电，从而导致脉动的低频率电压；而 MOS晶体管在开/关时会产生较高的脉冲噪声。

在本发明中，减少纹波的方式有：

(1)对低频滤波器电感、电容值进行了计算。输出波形和输出电容器之间存在着一种反比的关系，可以通过并联的方式来调节电流的容量，从而减小电流的脉动。

(2)在 MOS管栅电极与电源之间并联电容器，利用 MOS管的电感及并联等效电容组成 RC振荡器。利用 MOS管栅电源和 RC缓冲器，可以有效地抑制 MOS管在切换时的高频振动。

(3)使功率转换器的工作频率最大化，从而缩短电容器的充电和放电时间，从而减小脉动。

(4)示波器的带宽限制为20 Mpbs，将0.1微F的陶瓷电容器和10微F的电解质电容器连接到示波器探针上，可以在用示波器探针调整的情况下减小脉动干扰。

3供电方案

3.1周边设备的设计

为了保证系统的正常工作，必须对辅助LM5117的辅助运行外围电路进行详细的设计。

1) UVLO外接电路

UVLO管脚是一个低压可编程的锁。为了减小芯片的最低工作电压，必须在 VCC和接地间增设一个R3。该系统利用20微安的沉淀电流，使 UVLO延时；因此所形成的压差也可以用于调整 UVLO的阻抗。在晶片 UVLO引脚电压高于1.25 V上限时，导通延时， UVLO引脚的电流增大[2]。在 UVLO管脚电压低于1.25 V的情况下，断开延时电流，使 UVLO引脚的电流减小。在 UVLO管脚注入时，通过增大电阻器R4和C3可以减少输入 UVLO管脚所引起的噪音。

2) RT外设

LM5117的切换频率可以在 RT管脚与地之间加上R8来进行试验，从而形成 RT周边电路。

3)快速恢复系统外部电路

在电流限制期间，采用内打嗝方式的故障计时器对 PWM时钟周期进行运算。C20由 RES连接，由此决定在芯片重启前LM5117的延迟。如果故障计时器达到256次持续周期，则LM5117的复位计时器将会将晶片重新投入到低功率的待机状态。在C20通过时， HO和 LO的信号被切断，C20电容器放电。在晶片上的 RES管脚电压超过1.25 V时，C20的电容器开始打开并开始放电。

4) FB和 COMP的外部电路

外部电路通过晶片 FB插针，将该晶片的输出电压用作分压信号。基准电压为 FB管脚电压和0.8 V内高精度的电压之差

[3]。在晶片中，高增益误差放大器能产生一个直接比例于基准电压的错误讯号。COMP是一个误差放大器的插针，它可以通过外部的二极管来进行补偿，也就是电阻R9，电容C19,C8。

3.2模拟电流探测和坡度补偿

通过采样、保持直流电压、外加斜率等方法，完成了模拟电流的检测。在下一次开路时，应对所测电流进行采样，并将其保存。如果外接电源的开关管电压太低，会导致晶片不能工作，造成大量的功损，因此必须提高开关管的电压，以保证芯片的正常工作状态。通过将外部电阻和电容与晶片的 SW, RAMP管脚与地的连接，来设定 RAMP的倾斜，从而得到倾斜的信号。

LM5117芯片实现了倾斜信号的重构，而非开关管的电流。由于在输入电压高时，输出电压会比最大额定电压高得多，所以在 SW管脚与 RAMP管脚之间的电阻器R2不能直接与输入管脚相连。晶片的坡道插头经过内部的开关器进行放电，而且必须在极短的时间间隔内充分放电。

4软体的设计

该系统的硬件部分主要由解耦滤波电路、 LC滤波电路和 MOS管驱动电路组成。

由于该电源并非理想的电源，因此必须首先对各电路进行解耦，同时采用去耦电路，以减少功率间的耦合噪音。采用电容器和电感器构成的去耦电路，能使供电与接地隔离，减小线路间的耦合，减小供电噪音。

LC滤波器是开关电源的重要组成部分。当通过 LC滤波器的电流有干扰时，其输出的一部分 AC干扰信号会被电感所吸引，转化成磁能和热。电容能起到抑制干扰作用，从而保证输出电压相对平稳。

MOS管驱动电路包括 NMOS晶片和低电平转换器，该低电平转换器由晶片驱动外接 NMOS。在这里，导通电容将晶片与 HB及 SW引脚相连接。在晶片内的 HO外部 NMOS断开时， SW引脚的电压是0 V左右。在高 PWM负载比下， HO外部 NMOS在每个循环中强制关闭320 ns，以确保 HB管针完全充满。本设计采用CSD18532KCS或 MOS晶体管，以减少功率消耗。

5实验测试

在试验中，首先对输出电压的偏移进行了测试。以16 V的输入电压为基准，通过万用表对其进行测试，计算出了实际值和标称电压的误差。可以看出，在15毫伏以下的输出电压偏差。测量结果如表1所示。

表 1 输出电压偏差测量结果

对输出电流进行重新测量。仍然在16 V的输入电压下，将万用表和电阻器串联起来，其测量结果见表2。可以看出，经过多次的试验，其输出电流在3 A以上。通过对两个测试的综合分析，测试结果达到了设计的要求。

表2 输出电流测量结果

6结束语

本设计以LM5117降压芯片为DC-DC电源的核心部分，并以CDS18532KCS系列 MOS器件、LM5117外接电路及全功率系统的硬件组成。本设计在5 V的额定输出电压下，输出电流可达3 A或更高，满足了设计要求。

参考文献

[1]郑溢 . 一款降压型直流—直流开关电源的设计与实现[D]. 西 安电子科技大学 ,2013.

[2]尹华 , 刘锐 .PWM 型DC/DC变换器过流/短路保护电路的设计[J]. 微电子学,2008,01:108-110+115.

[3]高连波 , 苗国强 , 王丰贵 . 智能型多通道DC-DC变换器设计[J]. 现代电子技术 ,2013,22:152-155.