基于LTC3789的智能終端開關電源設計

徐 晶 ，曹昌圣

（1.武漢郵電科學研究院 湖北 武漢 430072；2.武漢長江通信智聯(lián)技術有限公司 湖北 武漢 430072）

基于LTC3789的智能終端開關電源設計

徐 晶1，2，曹昌圣1，2

（1.武漢郵電科學研究院 湖北 武漢 430072；2.武漢長江通信智聯(lián)技術有限公司 湖北 武漢 430072）

針對一款應用于公交的智能車載監(jiān)控終端，設計了一種基于Linear Technology公司的控制器LTC3789的四開關Buck-Boost開關穩(wěn)壓電源電路。根據(jù)車載情況確定電源的開關頻率、輸入輸出電壓范圍、電流范圍來選擇合適的電感，MOSFET管，輸入輸出電容等相關元器件，設計了相應的電源電路。利用仿真軟件LTspice IV對電源的轉換效率和帶載能力進行了仿真，驗證了該開關電源可穩(wěn)定輸出預期電壓并有較強的帶載能力。

LTC3789；Buck-Boost；開關電源；LTspice IV

電源是電子設備的心臟，沒有電源一切電子設備將無法正常工作。隨著電子技術的發(fā)展，電子設備的種類越來越豐富，對電源的要求更加靈活多樣，其以輕、薄、小和高效率為發(fā)展方向。開關電源作為電源的一種，現(xiàn)廣泛應用于軍工、科研、通信等領域。開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率來維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，其效率達到了70%～95%，被譽為高效節(jié)能電源，近幾年得到了比較迅速的發(fā)展[1-4]。

在公交車中，由于環(huán)境的影響，有時會出現(xiàn)電壓不穩(wěn)的情況，因此，在該開關電源工作時要有較好的抗干擾的特性，能穩(wěn)定輸出電壓[5]；另外，該車載終端需外接攝像頭、刷卡器、對講機等外部設備，所以，該開關電源也應有一定的帶負載能力?；谝陨弦笤O計了一種基于LTC3789的電源芯片的Buck-Boost開關穩(wěn)壓電源。此開關電源的設計目標是：當輸入電壓為+5 V～+36 V時，能實現(xiàn)穩(wěn)定的+12 V電壓輸出并有較高的轉換效率和較強的帶負載能力。

1 LTC3789芯片簡介

LTC3789是一個提供輸出電壓高于，等于或低于輸入電壓的電流模式控制器，其具有恒定頻率，它的電流模式架構允許的鎖相頻率高達600 kHz，輸出電流反饋環(huán)路用于電池充電[6]。LTC3789具有4 V到38 V（最大40 V）的寬電壓輸入和輸出范圍以及工作模式之間的無縫轉換使該器件非常適用于工業(yè)控制、太陽能和大功率電池供電系統(tǒng)等眾多應用[7]。

2 仿真工具介紹

LTspice IV是由Linear Technology公司提供的免費模擬軟件，具有集成電路圖捕獲和波形觀測功能[8]。不但可以進行瞬態(tài)分析、交流小信號分析、直流掃頻、噪聲分析、直流傳遞函數(shù)和直流工作點分析，而且還能計算仿真時間內各器件的電壓、電流平均值和有效值，各器件的平均功率損耗和瞬時功率損耗，這個功能是其他的仿真軟件中沒有的，可極大地方便電源設計，提高所設計電源的工作效率[9]。

3 電源電路設計及工作原理分析

3.1 基于LTC3789的開關電源電路

基本電路如圖1所示。在電路中，運用了4個N-MOSFET管的同步整流技術，該技術采用導通電阻極低的MOSFET管來取代整流二極管，能在一定程度上降低電路的損耗，從而提高轉換效率[10]。

圖1 基于LTC3789開關電源的電路圖

3.2 電路元器件參數(shù)選擇

1）工作頻率的設定

LTC3789可提供一個200 kHz至600 kHz的可鎖相固定頻率，但是較高的工作頻率會使開關損耗增加，從而降低了轉換效率。在本設計中選擇的開關頻率 f為220 kHz[7]。

2）輸出電壓的設定

輸出電壓是由輸出電容兩端的外部反饋電阻分壓器設定的，通過與內部的0.8 V參考電壓相比較得出輸出電壓。確定了輸出電壓的值后，R1和R2的阻值就可以根據(jù)輸出電壓來選擇。計算公式如下[7]：

3）電感的選擇

電感值的選擇與工作頻率大小相關，為了提高效率，在實際電路中一般選擇底鐵氧體式的電感。電感的紋波電流被設定為在升壓模式下VIN（MIN）時的最大電感電流的20%～40%，電感值的計算公式如下[7]：

式中 f是工作頻率；VIN（MIN）是最小輸入電壓；VIN（MAX）最大輸入電壓；VOUT是設定的輸出電壓；IOUT（MAX）是設定的最大輸出負載電流；%Ripple是允許的電感器紋波電流百分比，一般取30%。經過計算，選擇電感值為6.8 μH。

4）輸入輸出電容的選擇

在開關電源里，電容主要用來吸收紋波，平滑電壓波形[11]。由于制造材料有限制，電容有一個等效串聯(lián)電阻（ESR），由于電阻自身會產生一個壓降，電容器兩端的電壓會發(fā)生變化，就高性能應用而言，ESR和總電容對于最大限度地抑制輸出紋波電壓和優(yōu)化負載瞬態(tài)響應都是十分重要的，所以需選擇低ESR的電容[12]。為保證輸出電壓紋波小，可以采取幾個電容并聯(lián)的方式，以降低整體的電容的ESR值。本設計中輸入和輸出電容的值分別為3.3 μF，2.2 μF。

5）MOSFET管的選擇

LTC3789需要4個外部N溝道的MOSFET管，2個作為頂部開關，另2個作為底部開關。MOSFET管在開關電源中是作為電子開關使用的，它的導通和關斷是需要時間的，即存在開關損耗，開關頻率越高，MOSFET管的開關損耗越大[13]。為了保證轉換效率，應盡可能減小的開關損耗，需選擇導通電阻小的MOSFET管[14]。本設計中選擇的MOSFET型號為Si7884DP。

3.3 工作原理分析

1）Boost型工作模式

當VIN＜12 V時，進入升壓模式，開關Q1始終保持接通，而開關Q2始終保持關斷。在每個周期中開關Q3首先接通，輸入電壓通過開關Q3對電感進行充電，并對電感電流進行檢測，當電感電流IL高于閾值時，開關Q3斷開，開關Q4打開，電感放電實現(xiàn)升壓。開關Q3和Q4就這樣交替通斷實現(xiàn)穩(wěn)定的升壓輸出。圖2（a）所示的是輸入電壓為8 V時的各個MOSFET管的電壓波形圖。

2）Buck型工作模式

當VIN＞12 V時，進入降壓模式，開關Q4始終保持接通，而開關Q3始終保持關斷。在每個周期中開關Q2首先接通，對電感L進行持續(xù)泄流放電，實現(xiàn)降壓；同時對電感電流進行檢測，當電感電流IL低于閾值時，開關Q2斷開，開關Q1打開，對電感進行充電。開關Q1和Q2交替通斷實現(xiàn)穩(wěn)定的降壓輸出。圖2（b）所示的是輸入電壓為24 V時的各個MOSFET管的電壓波形圖。

3）Buck-Boost型工作模式

當 VIN接近12 V時，進入升壓/降壓模式，開關Q1、Q2與開關Q3、Q4兩組開關交替接通，電路通過調節(jié)開關的導通時間（周期不變）來達到穩(wěn)定輸出電壓的目的[15]。圖2（c）所示的是輸入電壓為11 V時的各個MOSFET管的電壓波形圖。

4 仿真結果及分析

4.1 電源轉換效率實驗

在該實驗中，使用相同負載不同輸入電壓。采用的負載為10 Ω，輸出電流為1.2 A，輸入電壓分別是+5 V，+10 V，+15 V，+20 V，+25 V，+30 V，+36 V。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 相同負載不同輸入電壓實驗結果

4.2 帶載能力實驗

在輸出電壓穩(wěn)定后，能帶多大的負載才是最終目的。在該實驗中，使用相同輸入電壓不同負載，輸入電壓設置為+24 V，負載分別為5 Ω，10 Ω，15 Ω，20 Ω，25 Ω，30 Ω，50 Ω，80 Ω，100 Ω，200 Ω，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 相同輸入電壓不同負載實驗結果

5 仿真結果分析

在電源轉換效率實驗中，對于+5～+36 V的輸入電壓，在正常帶載的情況下，控制器都能實現(xiàn)90%以上的轉換效率；在帶載能力實驗中，隨著輸出電流的增大，電源轉換效率呈遞增趨勢[16]，超出一定負載能力之后，轉換效率變小。

6 結束語

電源是電路中最重要的部分，本文針對未來通信電源模塊的發(fā)展趨勢，提出并設計了一種基于LTC3789的四開關Buck-Boost開關穩(wěn)壓電源電路，選擇了合適的外圍元器件參數(shù)后，對電源電路的轉換效率和帶負載能力進行了仿真分析，得出了相應的實驗數(shù)據(jù)；驗證了該電路在+5～+36 V輸入電壓范圍內能穩(wěn)定輸出12 V，并具有轉換效率高和帶負載能力強等特點，達到了設計要求。

圖2 不同輸入電壓下的各個MOSFET管的電壓波形圖

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The design of intelligent terminal Buck-Boost type switching power supply based on LTC3789

XU Jing1，2，CAO Chang-sheng1，2
（1.WuHan Research Institution of Posts and Telecommunications ，WuHan 430072，China；2.Wuhan YCIG iLink Technology Co.，Ltd，WuHan 430072，China）

A four switch Buck-Boost power supply based on Linear Technology Corporation's controller LTC3789 is used in a kind of intelligent vehicle monitoring terminal for the bus.In order to select suitable inductor，input and output capacitors and MOSFETs and design relevant power converter，the switching frequency，input and output voltage range，current range must be determined according to vehicle-mounted conditions.The simulation of transfer efficiency and load capacity of power supply by LTspice IV shows that this switch power can export expected voltage stably and own large load capacity.

LTC3789； Buck-Boost； switch mode power supply； LTspice IV

TN919.82

A

1674－6236（2017）16-0154-04

2016-06-30稿件編號：201606238

徐 晶（1992—），女，湖北松滋人，碩士研究生。研究方向：視頻監(jiān)控。