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    高精密、高性價(jià)比雙路穩(wěn)壓電源的研制

    2017-05-22 22:41:16宋志杰商振翔毛君龍
    科技視界 2017年4期
    關(guān)鍵詞:場效應(yīng)管

    宋志杰+商振翔+毛君龍

    【摘 要】采用同步降壓控制器LM5119芯片和貼片式低損耗MOS場效應(yīng)管及正激拓?fù)湓O(shè)計(jì)而成的輸出低電壓、大電流DC/DC降壓型直流雙路穩(wěn)壓開關(guān)電源。由濾波電路、同步控制電路、DC/DC Buck電路組成,濾波電路采用并聯(lián)電容的方式降低紋波電壓。經(jīng)測試,本電源的效率大于92%,紋波系數(shù)0.063%-0.238%,負(fù)載效應(yīng)0.0889%,源效應(yīng)0.0056%-0.011%。各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于市售產(chǎn)品水平。

    【關(guān)鍵詞】同步降壓;降壓控制器;場效應(yīng)管

    【Abstract】A low voltage, high current Buck DC/ DC switching power supply with a synchronous buck controller LM5119 core and a low loss MOSFET and a forward topology is designed. It is composed of a filter circuit, a synchronous control circuit and a DC/DC Buck circuit. The filter circuit uses the parallel capacitor to reduce the ripple voltage. After testing, the efficiency of the power supply is greater than 92%, the ripple factor 0.063%-0.238%, the load effect of 0.0889%, the source effect 0.0056%-0.011%. The performance indicators are better than the marketed product level.

    【Key words】Synchronous Buck; Buck Controller; FET

    0 引言

    隨著開關(guān)電源在計(jì)算機(jī)、通信、航空航天、儀器儀表及家用電器等方面的廣泛應(yīng)用,人們對其需求量日益增長,并且對電源的效率、體積、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。開關(guān)電源以其效率高、體積小、重量輕等優(yōu)勢在很多方面逐步取代了效率低、又笨重的線性電源。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,特別是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速發(fā)展,將開關(guān)電源的工作頻率提高到相當(dāng)高的水平,使其具有高穩(wěn)定性和高性價(jià)比等特性。開關(guān)電源技術(shù)的主要用途之一是為信息產(chǎn)業(yè)服務(wù)。信息技術(shù)的發(fā)展對電源技術(shù)又提出了更高的要求,從而不斷促進(jìn)了開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展。

    1 研究目的

    現(xiàn)在,市場上的高精密開關(guān)電源普遍價(jià)格較高,一般均在數(shù)百及千元以上,而且性能指標(biāo)并不算很高,且性能指標(biāo)更高的價(jià)格昂貴。我們希望可以設(shè)計(jì)出一款成本較低、各方面性能可以和市場性能較高的產(chǎn)品相媲美的一款穩(wěn)壓電源,以借此機(jī)會來鍛煉一下自己的動手能力,將自己所學(xué)到的知識運(yùn)用到生產(chǎn)實(shí)踐中。

    2 方案論證

    2.1 PWM控制方案

    方案一:采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM

    單片機(jī)編程產(chǎn)生的方波信號,易于調(diào)節(jié)、紋波小、抗干擾能力強(qiáng)。但在完成相應(yīng)要求的同時(shí),因51單片機(jī)資源有限,在控制中需要用到PWM調(diào)制和A/D采樣,用51單片機(jī)產(chǎn)生高頻的PWM比較困難,而且會造成程序不穩(wěn)定,況且A/D轉(zhuǎn)換還需要外部器件,成本也較高。

    方案二:采用TL494產(chǎn)生PWM

    TL494是一個(gè)固定頻率的脈沖寬度調(diào)節(jié)電路,內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器,振蕩頻率可通過外部的一個(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調(diào)節(jié)。但電路較復(fù)雜,搭建困難。

    方案三:采用LM5119內(nèi)部電路產(chǎn)生PWM

    LM5119 是一款雙同步降壓控制器,適用于高電壓或各種輸入電源的降壓型穩(wěn)壓器應(yīng)用。其控制方法基于采用仿真電流斜坡的電流模式控制。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化環(huán)路補(bǔ)償?shù)墓δ?。使用仿真控制斜坡可降低脈寬調(diào)制電路對噪聲的敏感度,有助于實(shí)現(xiàn)高輸入電壓應(yīng)用所必需的極小占空比的可靠控制。LM5119 的工作頻率可以在 50 kHz 至 750 kHz 范圍內(nèi)設(shè)定。LM5119 可利用自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制來驅(qū)動外部高邊和低邊 NMOS 功率開關(guān)管。用戶可選的二極管仿真模式可實(shí)現(xiàn)非連續(xù)模式操作,提高輕負(fù)載條件下的效率。具有自動切換外部偏壓功能的高電壓偏置穩(wěn)壓器可進(jìn)一步提高效率。其他功能包括熱關(guān)斷、頻率同步、打嗝 (hiccup) 模式電流限制和可調(diào)輸入欠壓鎖定。該器件采用有裸露芯片連接焊盤的功率增強(qiáng)型無引線 LLP-32 封裝,以幫助散熱[1]。

    采用LM5119內(nèi)部電路產(chǎn)生PWM的優(yōu)點(diǎn)是電路穩(wěn)定性強(qiáng),定時(shí)電阻Rt和AGND引腳之間連接的外部電阻可設(shè)定LM5119的開關(guān)頻率,Rt可同步內(nèi)部振蕩器至外部時(shí)鐘,使振蕩器產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波。

    通過比較上述三種方案及結(jié)合設(shè)計(jì)要求,可以看出方案三明顯優(yōu)于其他方案,所以采用方案三進(jìn)行設(shè)計(jì)制作。

    2.2 主回路拓?fù)浞桨?/p>

    DC/DC主回路拓?fù)洳捎冒霕駼uck電路,通過LM5119的HO和LO端輸出的PWM控制2個(gè)MOS管實(shí)現(xiàn)交替導(dǎo)通,通過電感Lo和電容Chb的充放電實(shí)現(xiàn)降壓。減小了原邊開關(guān)管的電壓壓力,電路結(jié)構(gòu)簡單,可適用較高頻率電路。

    3 產(chǎn)品(作品)設(shè)計(jì)與制作

    3.1 輸入輸出電壓設(shè)定

    輸入電壓范圍設(shè)定為12-20V,中心工作電壓16V。輸出設(shè)計(jì)為兩路:一路輸出9V、5A;另一路輸出5V、9A。通過對芯片使能端的設(shè)置,可以實(shí)現(xiàn)任一路輸出,也可以同時(shí)輸出,并且兩路可以各自獨(dú)立工作,互不干擾。

    3.2 濾波電容選用

    (1)輸入電容Cin:經(jīng)過不斷實(shí)驗(yàn)嘗試,我們選擇了6個(gè)2.2uF的陶瓷電容并聯(lián),實(shí)現(xiàn)梯級濾波。

    (2) VIN濾波器Cvin:考慮到需防止注入到VIN引腳的高頻開關(guān)噪聲引起電源故障,我們選用了0.47uF的陶瓷電容。

    (3) UVLO分壓器Cft:考慮到為分壓器提供濾波,我們選用100pF的陶瓷電容。

    (4) VCC電容Cvcc:考慮到需要為HO驅(qū)動器和自舉二極管提供峰值瞬態(tài)電流,并為VCC穩(wěn)壓器提供穩(wěn)定性,我們采用了0.47uF的電解電容。

    (5)輸出電容Co:考慮到輸出電容器需平滑電感紋波電流引起的輸出電壓紋波,并在瞬態(tài)負(fù)載條件下提供充電電源,我們選用了兩個(gè)220uF的電解電容作為主輸出電容,并加入兩個(gè)22uF電容,進(jìn)一步降低輸出電壓紋波和尖峰。

    3.3 開關(guān)管選用

    開關(guān)管一般采用IGBT或MOSFET,IGBT的優(yōu)點(diǎn)是耐壓高,但導(dǎo)通內(nèi)阻大,損耗大;MOSFET優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)通內(nèi)阻極小,但耐壓不高,但考慮到輸入輸出電壓均不高,且要求損耗小、體積小,所以選用貼片式低損耗MOSFET[2]。

    3.4 輸出電感制作

    進(jìn)口貼片電感價(jià)格太高、采購耗時(shí)長,而且參數(shù)不可改變,所以我們采用自制電感,可以很方便通過改變電感線圈匝數(shù)而改變電感參數(shù)。

    3.5 電路原理圖設(shè)計(jì)

    根據(jù)設(shè)計(jì)方案和芯片使用說明,我們自主設(shè)計(jì)了工作原圖,由于在制作期間,需要多次調(diào)整參數(shù),所以畫的原理圖未標(biāo)出參數(shù)的具體數(shù)值,以便隨時(shí)調(diào)整元件參數(shù)。原理圖是使用ALTIUM DESIGNER軟件設(shè)計(jì)的。原理圖見圖1。

    3.6 PCB設(shè)計(jì)

    為了使控制芯片外圍元件布局緊湊且達(dá)到良好效果,PCB板采用四層設(shè)計(jì),讓電源和接地各占一層,并進(jìn)行分區(qū),避免信號地和模擬地之間的串?dāng)_。由于電源線、接地線不再占用頂層和底層板面資源,所以可以將元器件布置得更緊湊,芯片工作狀態(tài)更好,可以獲得極佳效果,PCB板圖見圖2

    3.7 產(chǎn)品制作

    根據(jù)設(shè)計(jì)要求,我們通過反復(fù)論證確定了元件參數(shù)、型號和數(shù)量,并選購所需材料。然后精心制作,雖然絕大部分元器件采用貼片封裝,但我們都采取了手工焊接,實(shí)踐證明效果很不錯(cuò),作品實(shí)物圖見圖3。

    4 總結(jié)

    4.1 本產(chǎn)品(作品)的性能

    本產(chǎn)品制作成本約為100元左右,而市場精密電源售價(jià)一般在數(shù)百甚或千元以上,我們的產(chǎn)品成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于市場同類產(chǎn)品的價(jià)格,與我們同等價(jià)格的產(chǎn)品測出的性能指標(biāo)比我們的產(chǎn)品性能指標(biāo)相差一個(gè)數(shù)量級。紋波測試見圖4

    從表1可以看出,我們產(chǎn)品的成本低、效率高,性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于市場水平,具有較大的發(fā)展前景。

    4.2 本產(chǎn)品(作品)的創(chuàng)新點(diǎn)

    (1)采用四層PCB板設(shè)計(jì)、元器件布局緊湊合理,電源工作狀態(tài)良好。

    (2)自制電感線圈,替代了進(jìn)口產(chǎn)品,不僅使電源綜合成本降低20%以上,而且電感參數(shù)可以自行調(diào)整。

    (3)本產(chǎn)品制造成本低,而性能指標(biāo)高(見表1),主要指標(biāo)均高于市售產(chǎn)品水平。

    (4)極高的效率,對于滿載輸出45-90W的電源(單路輸出45W,雙路輸出90W)達(dá)到92.3%的效率,已差不多到了極限。

    (5)采用節(jié)能設(shè)計(jì),輕載時(shí)可以啟用二極管仿真模式,可以實(shí)現(xiàn)高效輸出;重載時(shí),禁用二極管仿真模式,增強(qiáng)帶負(fù)載能力。

    【參考文獻(xiàn)】

    [1]TI官網(wǎng)提供的LM5119數(shù)據(jù)手冊.

    [2]TI官網(wǎng)提供的CSD18532數(shù)據(jù)手冊.

    [責(zé)任編輯:朱麗娜]

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