降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

吳克文

（黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北黃岡438000）

降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

吳克文

（黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北黃岡438000）

本降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源以LM5117芯片和CSD18532KCS MOS場(chǎng)效應(yīng)管為核心器件，實(shí)現(xiàn)了DC—DC變換功能，并以STM32f103zet6單片機(jī)作為主控制芯片，實(shí)現(xiàn)了過流保護(hù)控制、電阻負(fù)載識(shí)別以及實(shí)時(shí)顯示輸出電壓、電流和功率等功能。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出電壓穩(wěn)定，直流轉(zhuǎn)換效率高，能在直流轉(zhuǎn)換場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。

LM5117；CSD18532KCS；DC-DC轉(zhuǎn)換；穩(wěn)壓

前言

電子產(chǎn)品的正常持續(xù)工作一般都離不開可靠的電源系統(tǒng)，開關(guān)電源主要通過控制晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持一個(gè)近似穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)穩(wěn)壓電源根據(jù)開關(guān)管在電路中的連接方式分類，可分為串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源、并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源和脈動(dòng)變壓器耦合式開關(guān)電源。開關(guān)穩(wěn)壓電源的效率高，電壓范圍寬，輸出電壓相對(duì)穩(wěn)定，由于開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，功耗小，所以開關(guān)電源的工作效率可達(dá)80%～90%，這為開關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間。本文針對(duì)降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源作了深入研究和探索，提出了一種切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案。

一、方案設(shè)計(jì)與論證

（一）穩(wěn)壓電路的選擇

方案一：以7805作為穩(wěn)壓電路的控制核心，該穩(wěn)壓集成塊內(nèi)部電路具有過壓保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)功能，性能穩(wěn)定。但是最大輸出電流不能滿足要求。

方案二：以LM5117作為降壓控制器，是基于采用仿真電流斜波的電流模式控制。電流模式控制具有固有的輸入電壓前饋、逐周期電流限制和簡(jiǎn)化環(huán)路補(bǔ)償?shù)墓δ?，而且還包括熱關(guān)斷、頻率同步、斷續(xù)模式限制和可調(diào)輸入欠壓鎖定等功能。而且輸出的電流較大，能滿足題目的大電流的輸出要求。

基于以上分析，要很好地完成題目的基本要求，經(jīng)綜合考慮后選擇了方案二。

（二）控制器的選擇

方案一：選用AT89C51作為主控器件，用來實(shí)現(xiàn)題目所要求的各種功能。此方案最大的特點(diǎn)是系統(tǒng)規(guī)?？梢宰龅煤苄?，成本較低。但是AT89C51的CPU工作頻率較低，功耗較高，資源不夠豐富。

方案二：選用STM32f103zet6作為系統(tǒng)的控制核心，能實(shí)現(xiàn)題目所要求的功能，而且該芯片具有32位基于ARM核心的帶512K字節(jié)閃存的微控制器USB、CAN、11個(gè)定時(shí)器、3個(gè)ADC、13個(gè)通信接口。最重要的是STM32f103zet6具有超低的功耗，這是其他控制器不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

在此系統(tǒng)中，經(jīng)過細(xì)致的思考，最終選擇了使用STM32f103zet6作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。

二、理論分析與計(jì)算

根據(jù)題目設(shè)計(jì)要求，要實(shí)現(xiàn)降壓直流開關(guān)穩(wěn)壓，即實(shí)現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換，并具有過流保護(hù)功能，能實(shí)時(shí)顯示電壓和電流值。由此設(shè)計(jì)的原理框圖如圖1所示。

圖1 降壓直流開關(guān)穩(wěn)壓的原理框圖

（一）DC-DC轉(zhuǎn)換電路的分析與計(jì)算

根據(jù)LM5117降壓控制器的應(yīng)用特點(diǎn)及其特征，對(duì)其外圍電路的分析與設(shè)計(jì)如下：

1.定時(shí)電阻RT

LM5117開關(guān)頻率是通過RT引腳和AGND引腳之間連接一個(gè)外部電阻來設(shè)定的。一般來說，較高頻率的應(yīng)用體積比較小，但損耗也比較高。對(duì)于此作品的設(shè)計(jì)，選定230KHz，利用，可以計(jì)算得到RT值=21.7。

2.輸出電感

通常情況下，較高的紋波電流可以使用較小尺寸的電感器，但為了平滑輸出的紋波電壓，輸出電容要承擔(dān)更大的負(fù)荷。本題選擇的紋波電流為3A的40%。利用公式，根據(jù)題目要求，輸入電壓為5V，此時(shí)對(duì)應(yīng)的最大電流為3A，則得到輸出電感為。

3.電流檢測(cè)電阻RS

轉(zhuǎn)換器的性能根據(jù)K值會(huì)有所不同。此題中選擇了K=1,以控制次諧波振蕩和實(shí)現(xiàn)單周期阻尼?？紤]到誤差和紋波電流，最大輸出電流能力（IOUT(MAX)）應(yīng)高于所需輸出電流的20%至50%。在此作品的設(shè)計(jì)中，選擇了3A的130%。電流檢測(cè)電阻值可以利用公式，

4.輸出分壓器RFB2和RFB1

RFB1和RFB2設(shè)置輸出電壓電平。兩電阻之間的關(guān)系為，RCOMP和RFB2之間的比值決定了中頻增益AFB_MID。較大值的RFB2可能需要相應(yīng)較大值RCOMP。RFB2應(yīng)足夠大，以使分壓器總功耗很小。在這個(gè)例子中，RFB2選擇了5.1KΩ，其結(jié)果是5V輸出的RFB1值為1KΩ。

5.環(huán)路補(bǔ)償元件CCOMP、RCOMP和CHF

CCOMP、RCOMP和CHF可配置誤差放大器增益和相位特性，以產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的電壓環(huán)路。通過選1/10的開關(guān)頻率FSW，則

6.斜坡電阻RRAMP和斜坡電容CRAMP

LM5117采用了一個(gè)獨(dú)特的斜波發(fā)生器，仿真電感器電流為PWM比較器提供一個(gè)斜波信號(hào)。電感電流斜坡信號(hào)是通過RRAMP和CRAMP仿真的。此題目中，設(shè)置了CRAMP=820pF。利用電感器可選擇檢測(cè)電阻和K系數(shù)，利

7.UVLO分壓器RUV2、RUV1和CFT

所需啟動(dòng)電壓和遲滯由分壓器RUV1和RUV2來設(shè)定。電容CFT為分壓器提供濾波。對(duì)于這樣的設(shè)計(jì)，啟動(dòng)電壓設(shè)置為VIN=16V，VHYS=2V，CFT的值選擇47pF。

8.開關(guān)管QH和QL

開關(guān)管，選擇了CSD18532KCS MOS場(chǎng)效應(yīng)管，與開關(guān)頻率的協(xié)調(diào)一致?？朔哌吪c低邊MOS器件的損耗是比較不同器件相對(duì)效率的途徑之一。功率MOS器件的損耗可以分解為導(dǎo)通損耗、柵極充電損耗和開關(guān)損耗。

9.自舉電容CHB和自舉二極管DHB

在每個(gè)周期的開啟期間，HB和SW引腳之間的自舉電容提供柵極電流，對(duì)高邊MOS器件柵極充電，還為自舉二極管提供恢復(fù)電荷。這些電流峰值可達(dá)幾安培。自舉電容設(shè)置為0.47uF。

為了更好消除紋波的大小，在輸入和輸出端接入了濾波電路，再結(jié)合以上分析計(jì)可得到DC-DC轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖1 DC-DC轉(zhuǎn)換電路

（二）過流保護(hù)電路的分析與計(jì)算

通過STM32f103zet6單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)ULN2803，當(dāng)超過設(shè)定電流值時(shí)，繼電器工作，斷開電源，對(duì)應(yīng)電路圖如圖3所示。

圖3 過流保護(hù)電路

三、軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用STM32f103zet6處理器進(jìn)行控制，應(yīng)用A/D采樣檢測(cè)輸出電壓和電流，并計(jì)算出實(shí)際功率；通過預(yù)設(shè)保護(hù)電流值，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)，并能實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前的電流和電壓值。軟件控制流程圖如圖4所示。

圖4 軟件控制流程圖

四、測(cè)試結(jié)果

作品完成后，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如下所示：

（一）輸出電壓測(cè)試

測(cè)試方法：保持輸入電壓16V，通過調(diào)整輸出電阻的大小，利用萬用表測(cè)試輸出電阻兩端的電壓，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 輸出電壓測(cè)試數(shù)據(jù)

（二）輸出電流測(cè)試

測(cè)試方法：保持輸入電壓16V，通過調(diào)整輸出電阻的大小，將萬用表與輸出電阻進(jìn)行串聯(lián)，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 輸出電流測(cè)試數(shù)據(jù)

五、總結(jié)

經(jīng)過反復(fù)調(diào)試和改進(jìn)，最終的輸出電壓穩(wěn)定，直流轉(zhuǎn)換效率高，可靠性也很高，能實(shí)現(xiàn)在直流轉(zhuǎn)換場(chǎng)合的廣泛應(yīng)用。

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TM44

A

1671-5136(2017)01-0135-02

2017-03-22

吳克文（1980-），男，湖北黃岡人，黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授。研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息安全、WEB技術(shù)應(yīng)用、電腦芯片級(jí)維修、數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)。