基于CMOS工艺的BUCK型DC-DC稳压器设计

江苏信息职业技术学院电子信息工程学院 祝淇舒 陆渊章

基于CMOS工艺的BUCK型DC-DC稳压器设计

江苏信息职业技术学院电子信息工程学院 祝淇舒 陆渊章

本论文通过对BUCK型DC-DC稳压器转换机理的研究，,对DC-DC稳压器进行了电路设计与PCB设计，并对此进行理论计算和进行实际数据测量。电路设计采用LM5117作为核心，用于降压控制器，利用TI公司基于CMOS工艺的 CSD18532KCS调节电路，实现16V到5V DC-DC转换，控制输出电流范围在0～3A。

DC-DC稳压器；LM5117；CSD18532KCS ；BUCK电路

0 引言

DC-DC稳压器是能为负载提供DC电源的电子装置。当交流供电电源的电压或负载电阻发生变化时，稳压器的DC输出电压会保持稳定。具有电压调整率低，响应快，负载调整率低，高效，轻量，输出纹波小等优点。本文通过对降压型DC-DC稳压器转换机理的研究，,对DC-DC稳压器进行了电路设计与PCB设计，并对此进行理论计算和进行实际数据测量。,电路设计采用LM5117作为核心，用于降压控制器，利用TI公司的基于CMOS工艺的 CSD-18532KCS调节电路，实现16V到5V DC-DC转换，控制输出电流范围在0～3A。

1 方案论证

1.1 变换电路方案

变压器变换电路方案共有两种方案，其一为间接DC变流电路，其一为直接DC变流电路即BUCK电路。

间接DC变流,其转换原理为直流电路输入进入逆变电路，变为交流，再进入变压器转换为交流后整流滤波，得到最终的直流。可实现输入输出的隔离，适用于需要输入电压极大输出电压极小，或输入电压极小输出电压极大的情况。如图1所示：

图1 间接直流变流电路

图2 BUCK型开关电源的拓扑结构

BUCK电路为降压式变换电路，可等效地分为开关管ON电路和开关管OFF电路。开关受外部的PWM信号控制，通过改变其占空比从而实现电压输出时的变化。开关管ON状态时， Vin给电感充电，同时向负载供电，此时电感上电流增大。开关管OFF状态时，由电感来维持Iout，电感处于放电状态。如图2所示。

BUCK电路要选择ESR小,工作纹波电流大的电解电容作为输出电容。以辅助来平滑纹波电流引起的输出电压的纹波。另外，根据负载的发生的大小变化，BUCK电源将会产生两种状态，即CCM与DCM状态。在CCM下，电感电流在整个周期内连续。

在DCM下，在整个周期内，电感电流不连续。

BUCK电路相对于间接直流变换电路的多次转换，大损耗，低效率具有明显优势。结构更为简单，损耗更低，效率更高，是为达到本设计目的的最佳选择。

1.2 稳压控制方案

稳压控制可分两个方案，一为采样负载电流，经A/D转换后输入到单片机，使用单片机来产生PWM波，当电压达到一定的数值时，由单片机控制开关导通或截止，形成一定的过流保护。

二为采用可同步降压控制器LM5117，其工作频率在 50 kHz 至750 kHz ，5.5V至65V的范围内设定。不仅具有模拟电流监视器功能，且宽输入范围。LM5117拥有独立的斜坡发生器，用于采样、维持直流电平与仿真电感电流斜坡，即重建由高边开关电流信号。

PWM的斜坡信号由电感器电流提供，LM5117对输出电流进行取样后，反馈至芯片FB端，与基准电压进行比较放大，以达到控制PWM占空比的目的，从而实现稳压控制。而实现这些依靠于LM5117内部的误差放大器与PWM比较器，此控制方式具有固有输入电压反馈、简化环路补偿、逐个周期电流限制功能。仿真控制斜坡降低脉宽调制模块对噪声敏感度，益于实现高输入电压的应用的可靠控制。

一方案由软件实现，但控制算法复杂，反应慢，输出电压无法保证稳定性，也较难实现，二方案采用方式简单，反应快速，输出稳定，因此设计选择方案二。

1.3 DC-DC变换

DC-DC变换即把直流电转换成稳定且不同的电压输出直流电。在此设计中将采用脉宽调制PWM方式，利用TI公司的基于CMOS工艺的 CSD18532KCS调节电路。CMOS即增强型MOS，电路将一个增强型P沟道MOS与一个增强型N沟道MOS结合一起使用。输入为低电平时，增强型P沟道MOS导通，输出与+VCC接通。输入为高电平时，增强型N沟道MOS导通，输出与GND接通，基于CMOS工艺进行工作，能够获得较大的电流输出。CSD18532KCS与LM5117结合，构成BUCK电路，最终实现DC-DC变换。

2 硬件电路单元设计

本设计采用场效应管CSD18532KCS，LM5117降压控制器（外部开关）为核心，辅以LM358（双运算放大电路）和LM7805（三段稳压器）。

2.1 DC-DC转换电路

DC-DC转换电路如图3所示：

图3 DC-DC转换电路

基本补偿网络、反馈分压模块、LC滤波电路单元、稳压模块这四个部分共同组成DC-DC转换电路。LM5117作为核心，用于降压控制器， CMOS工艺的 CSD18532KCS为调节电路，辅以双运算放大电路LM358和三段稳压器LM7805。

2.2 反馈分压模块

反馈分压模块存在于LM5117的LLP引脚8 FB与LLP引脚9 COMP之间，LLP引脚9为内部误差放大器输出端。此引脚与LLP引脚8之间的为环路补偿网络，串联一电阻与电容，并联一电容，从而达到反馈分压的目的。如图4所示：

图4 反馈分压模块

2.3 LC滤波电路单元

电感纹波的电流引起输出电压的纹波可由输出电容器来平滑。对于该设计，在电路中加入了一个ESR为20mΩ，470μF的电解电容即图示中C11为主要输出电容。以辅助来平滑纹波电流引起的输出电压的纹波。如图5所示：

图5 LC滤波电路单元

2.4 稳压模块

稳压模块采 用三端电压稳压器78M05，此三端稳压器输出电压为5V，输出电流max为500mA，输入偏置电流classic为3.2mA，输入电压max为35V，并且具有过流过热关断保护功能。此处在其左右并联两个0.1μF电容即C24，C25减小干扰，进行滤波。如图6所示：

图6 稳压模块

3 数据测试

3.1 电压偏差测试

调整直流稳压电源额定，输入电压大小为16V，测试输出电压大小，进行计算。

序号 额定输入电压 额定输出电压 实际输出电压 偏差1 15.9V 4.98V 5V 20mv

△Uo|=|5v-Uo|=20mV电压偏差可小于100mV。

3.2 额定输入电压条件，最大输出电流

序号 额定输入电压 最大输出电流1 15.9V 3.3A

Io≥3A，可获得大于3A的最大输出电流。

3.3 纹波电压测试

数字示波器接入输出端测试输出噪声纹波电压的峰峰值。

序号 电压峰峰值1 15mv

输出噪声文波电压峰峰值：

UOPP=15mv≤ 50mV(UIN=16V,Io=Iomax)。

3.4 负载调整率测试

调整串联于输出端的滑动变阻器，使得输出端有从轻载到满载的一个过程。并且用数字电万用表测量输出端的满载电压Uo满载，以及输出端的轻载电压Uo轻载，计算数据。

序号 Iomax Uo满载 Iomin Uo轻载 负载调整率1 3A 5.00V 0.6A 4.8V 4%

Io从满载Iomax变到轻载0.2Iomax时，

3.5 电压调整率测试

调整输入端电压到17.6V，用数字万用表测试输出电压Uo17.6V，调整输入端电压到13.6V，用数字万用表测试输出电压Uo13.6V，分别计算Uo17.6V与Uo13.6V和之前测得的Uo16v的差值，选其中的最大值，再根据公式计算。

序号 Uo变化 电压调整率1 |Uo17.6V-Uo16V| 4.95V-4.9V 0.405% 2 |Uo16v-Uo13.6V| 4.93V-4.9V 0.405%

UIN变化到17.6V和13.6V，电压调整率：

3.6 效率测试

经测试，此设计的效率可达85%。

4 结语

本设计详细地讲述了降压型直流开关稳压电源的整个设计与实现，从变换电路方案与稳压控制方案的论证，到方案的理论角度的原理与公式分析，再到DC-DC转换电路、反馈分压模块、LC滤波电路单元、稳压模块的电路设计。同时，通过对电压偏差值、输出最大电流、纹波电压等参数的测试，证实了本设计的可行性并且反映了本设计的精确程度。

总之，DC-DC稳压器无可厚非，是我们不管是现在还是将来，都是不可缺少的。在研究与发现上还具有很大的空间与价值。

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祝淇舒（1995—），现就读于江苏信息职业技术学院，主要研究方向：应用电子技术。

陆渊章（1981—），江苏信息职业技术学院副教授，主要研究方向：应用电子技术。