基于CMOS工藝的BUCK型DC-DC穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)

江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院 祝淇舒 陸淵章

基于CMOS工藝的BUCK型DC-DC穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)

江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院 祝淇舒 陸淵章

本論文通過(guò)對(duì)BUCK型DC-DC穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換機(jī)理的研究，,對(duì)DC-DC穩(wěn)壓器進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)與PCB設(shè)計(jì)，并對(duì)此進(jìn)行理論計(jì)算和進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)量。電路設(shè)計(jì)采用LM5117作為核心，用于降壓控制器，利用TI公司基于CMOS工藝的 CSD18532KCS調(diào)節(jié)電路，實(shí)現(xiàn)16V到5V DC-DC轉(zhuǎn)換，控制輸出電流范圍在0～3A。

DC-DC穩(wěn)壓器；LM5117；CSD18532KCS ；BUCK電路

0 引言

DC-DC穩(wěn)壓器是能為負(fù)載提供DC電源的電子裝置。當(dāng)交流供電電源的電壓或負(fù)載電阻發(fā)生變化時(shí)，穩(wěn)壓器的DC輸出電壓會(huì)保持穩(wěn)定。具有電壓調(diào)整率低，響應(yīng)快，負(fù)載調(diào)整率低，高效，輕量，輸出紋波小等優(yōu)點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)降壓型DC-DC穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換機(jī)理的研究，,對(duì)DC-DC穩(wěn)壓器進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)與PCB設(shè)計(jì)，并對(duì)此進(jìn)行理論計(jì)算和進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)量。,電路設(shè)計(jì)采用LM5117作為核心，用于降壓控制器，利用TI公司的基于CMOS工藝的 CSD-18532KCS調(diào)節(jié)電路，實(shí)現(xiàn)16V到5V DC-DC轉(zhuǎn)換，控制輸出電流范圍在0～3A。

1 方案論證

1.1 變換電路方案

變壓器變換電路方案共有兩種方案，其一為間接DC變流電路，其一為直接DC變流電路即BUCK電路。

間接DC變流,其轉(zhuǎn)換原理為直流電路輸入進(jìn)入逆變電路，變?yōu)榻涣?，再進(jìn)入變壓器轉(zhuǎn)換為交流后整流濾波，得到最終的直流?？蓪?shí)現(xiàn)輸入輸出的隔離，適用于需要輸入電壓極大輸出電壓極小，或輸入電壓極小輸出電壓極大的情況。如圖1所示：

圖1 間接直流變流電路

圖2 BUCK型開(kāi)關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

BUCK電路為降壓式變換電路，可等效地分為開(kāi)關(guān)管ON電路和開(kāi)關(guān)管OFF電路。開(kāi)關(guān)受外部的PWM信號(hào)控制，通過(guò)改變其占空比從而實(shí)現(xiàn)電壓輸出時(shí)的變化。開(kāi)關(guān)管ON狀態(tài)時(shí)， Vin給電感充電，同時(shí)向負(fù)載供電，此時(shí)電感上電流增大。開(kāi)關(guān)管OFF狀態(tài)時(shí)，由電感來(lái)維持Iout，電感處于放電狀態(tài)。如圖2所示。

BUCK電路要選擇ESR小,工作紋波電流大的電解電容作為輸出電容。以輔助來(lái)平滑紋波電流引起的輸出電壓的紋波。另外，根據(jù)負(fù)載的發(fā)生的大小變化，BUCK電源將會(huì)產(chǎn)生兩種狀態(tài)，即CCM與DCM狀態(tài)。在CCM下，電感電流在整個(gè)周期內(nèi)連續(xù)。

在DCM下，在整個(gè)周期內(nèi)，電感電流不連續(xù)。

BUCK電路相對(duì)于間接直流變換電路的多次轉(zhuǎn)換，大損耗，低效率具有明顯優(yōu)勢(shì)。結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，損耗更低，效率更高，是為達(dá)到本設(shè)計(jì)目的的最佳選擇。

1.2 穩(wěn)壓控制方案

穩(wěn)壓控制可分兩個(gè)方案，一為采樣負(fù)載電流，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入到單片機(jī)，使用單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生PWM波，當(dāng)電壓達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，由單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)導(dǎo)通或截止，形成一定的過(guò)流保護(hù)。

二為采用可同步降壓控制器LM5117，其工作頻率在 50 kHz 至750 kHz ，5.5V至65V的范圍內(nèi)設(shè)定。不僅具有模擬電流監(jiān)視器功能，且寬輸入范圍。LM5117擁有獨(dú)立的斜坡發(fā)生器，用于采樣、維持直流電平與仿真電感電流斜坡，即重建由高邊開(kāi)關(guān)電流信號(hào)。

PWM的斜坡信號(hào)由電感器電流提供，LM5117對(duì)輸出電流進(jìn)行取樣后，反饋至芯片F(xiàn)B端，與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較放大，以達(dá)到控制PWM占空比的目的，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制。而實(shí)現(xiàn)這些依靠于LM5117內(nèi)部的誤差放大器與PWM比較器，此控制方式具有固有輸入電壓反饋、簡(jiǎn)化環(huán)路補(bǔ)償、逐個(gè)周期電流限制功能。仿真控制斜坡降低脈寬調(diào)制模塊對(duì)噪聲敏感度，益于實(shí)現(xiàn)高輸入電壓的應(yīng)用的可靠控制。

一方案由軟件實(shí)現(xiàn)，但控制算法復(fù)雜，反應(yīng)慢，輸出電壓無(wú)法保證穩(wěn)定性，也較難實(shí)現(xiàn)，二方案采用方式簡(jiǎn)單，反應(yīng)快速，輸出穩(wěn)定，因此設(shè)計(jì)選擇方案二。

1.3 DC-DC變換

DC-DC變換即把直流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定且不同的電壓輸出直流電。在此設(shè)計(jì)中將采用脈寬調(diào)制PWM方式，利用TI公司的基于CMOS工藝的 CSD18532KCS調(diào)節(jié)電路。CMOS即增強(qiáng)型MOS，電路將一個(gè)增強(qiáng)型P溝道MOS與一個(gè)增強(qiáng)型N溝道MOS結(jié)合一起使用。輸入為低電平時(shí)，增強(qiáng)型P溝道MOS導(dǎo)通，輸出與+VCC接通。輸入為高電平時(shí)，增強(qiáng)型N溝道MOS導(dǎo)通，輸出與GND接通，基于CMOS工藝進(jìn)行工作，能夠獲得較大的電流輸出。CSD18532KCS與LM5117結(jié)合，構(gòu)成BUCK電路，最終實(shí)現(xiàn)DC-DC變換。

2 硬件電路單元設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用場(chǎng)效應(yīng)管CSD18532KCS，LM5117降壓控制器（外部開(kāi)關(guān)）為核心，輔以LM358（雙運(yùn)算放大電路）和LM7805（三段穩(wěn)壓器）。

2.1 DC-DC轉(zhuǎn)換電路

DC-DC轉(zhuǎn)換電路如圖3所示：

圖3 DC-DC轉(zhuǎn)換電路

基本補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、反饋分壓模塊、LC濾波電路單元、穩(wěn)壓模塊這四個(gè)部分共同組成DC-DC轉(zhuǎn)換電路。LM5117作為核心，用于降壓控制器， CMOS工藝的 CSD18532KCS為調(diào)節(jié)電路，輔以雙運(yùn)算放大電路LM358和三段穩(wěn)壓器LM7805。

2.2 反饋分壓模塊

反饋分壓模塊存在于LM5117的LLP引腳8 FB與LLP引腳9 COMP之間，LLP引腳9為內(nèi)部誤差放大器輸出端。此引腳與LLP引腳8之間的為環(huán)路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，串聯(lián)一電阻與電容，并聯(lián)一電容，從而達(dá)到反饋分壓的目的。如圖4所示：

圖4 反饋分壓模塊

2.3 LC濾波電路單元

電感紋波的電流引起輸出電壓的紋波可由輸出電容器來(lái)平滑。對(duì)于該設(shè)計(jì)，在電路中加入了一個(gè)ESR為20mΩ，470μF的電解電容即圖示中C11為主要輸出電容。以輔助來(lái)平滑紋波電流引起的輸出電壓的紋波。如圖5所示：

圖5 LC濾波電路單元

2.4 穩(wěn)壓模塊

穩(wěn)壓模塊采 用三端電壓穩(wěn)壓器78M05，此三端穩(wěn)壓器輸出電壓為5V，輸出電流max為500mA，輸入偏置電流classic為3.2mA，輸入電壓max為35V，并且具有過(guò)流過(guò)熱關(guān)斷保護(hù)功能。此處在其左右并聯(lián)兩個(gè)0.1μF電容即C24，C25減小干擾，進(jìn)行濾波。如圖6所示：

圖6 穩(wěn)壓模塊

3 數(shù)據(jù)測(cè)試

3.1 電壓偏差測(cè)試

調(diào)整直流穩(wěn)壓電源額定，輸入電壓大小為16V，測(cè)試輸出電壓大小，進(jìn)行計(jì)算。

序號(hào) 額定輸入電壓 額定輸出電壓 實(shí)際輸出電壓 偏差1 15.9V 4.98V 5V 20mv

△Uo|=|5v-Uo|=20mV電壓偏差可小于100mV。

3.2 額定輸入電壓條件，最大輸出電流

序號(hào) 額定輸入電壓 最大輸出電流1 15.9V 3.3A

Io≥3A，可獲得大于3A的最大輸出電流。

3.3 紋波電壓測(cè)試

數(shù)字示波器接入輸出端測(cè)試輸出噪聲紋波電壓的峰峰值。

序號(hào) 電壓峰峰值1 15mv

輸出噪聲文波電壓峰峰值：

UOPP=15mv≤ 50mV(UIN=16V,Io=Iomax)。

3.4 負(fù)載調(diào)整率測(cè)試

調(diào)整串聯(lián)于輸出端的滑動(dòng)變阻器，使得輸出端有從輕載到滿載的一個(gè)過(guò)程。并且用數(shù)字電萬(wàn)用表測(cè)量輸出端的滿載電壓Uo滿載，以及輸出端的輕載電壓Uo輕載，計(jì)算數(shù)據(jù)。

序號(hào) Iomax Uo滿載 Iomin Uo輕載 負(fù)載調(diào)整率1 3A 5.00V 0.6A 4.8V 4%

Io從滿載Iomax變到輕載0.2Iomax時(shí)，

3.5 電壓調(diào)整率測(cè)試

調(diào)整輸入端電壓到17.6V，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)試輸出電壓Uo17.6V，調(diào)整輸入端電壓到13.6V，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)試輸出電壓Uo13.6V，分別計(jì)算Uo17.6V與Uo13.6V和之前測(cè)得的Uo16v的差值，選其中的最大值，再根據(jù)公式計(jì)算。

序號(hào) Uo變化 電壓調(diào)整率1 |Uo17.6V-Uo16V| 4.95V-4.9V 0.405% 2 |Uo16v-Uo13.6V| 4.93V-4.9V 0.405%

UIN變化到17.6V和13.6V，電壓調(diào)整率：

3.6 效率測(cè)試

經(jīng)測(cè)試，此設(shè)計(jì)的效率可達(dá)85%。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)詳細(xì)地講述了降壓型直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的整個(gè)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，從變換電路方案與穩(wěn)壓控制方案的論證，到方案的理論角度的原理與公式分析，再到DC-DC轉(zhuǎn)換電路、反饋分壓模塊、LC濾波電路單元、穩(wěn)壓模塊的電路設(shè)計(jì)。同時(shí)，通過(guò)對(duì)電壓偏差值、輸出最大電流、紋波電壓等參數(shù)的測(cè)試，證實(shí)了本設(shè)計(jì)的可行性并且反映了本設(shè)計(jì)的精確程度。

總之，DC-DC穩(wěn)壓器無(wú)可厚非，是我們不管是現(xiàn)在還是將來(lái)，都是不可缺少的。在研究與發(fā)現(xiàn)上還具有很大的空間與價(jià)值。

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祝淇舒（1995—），現(xiàn)就讀于江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，主要研究方向：應(yīng)用電子技術(shù)。

陸淵章（1981—），江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，主要研究方向：應(yīng)用電子技術(shù)。