基于LM5117的降压型直流开关稳压电源设计

荣海林+姚福安+张德强

摘 要 选用TI公司的LM5117芯片作为稳压系统控制的核心，制作一款稳定高效的降压型直流开关稳压电源，采用电压闭环反馈控制，具有稳定的过流保护、负载识别功能，提高了输出电压的稳定性，大大降低了输出纹波电压。选择合适的开关频率及环路补偿网络增强电路稳定性和带负载能力，进一步稳定输出电压。

关键词 LM5117；降压型开关稳压电源；闭环控制

中图分类号：TN492 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）06-0036-03

Abstract This system design chooses LM5117 chip and CSD18532-KCS MOSFET of TI Company as control core voltage stabilizing system， and builds a stable and efficient buck type DC switching power supply. It uses the closed-loop feedback control voltage， im-proving the stability of output voltage. Design reduces the output ripple voltage， selecting the appropriate switching frequency com-pensation and loop network to enhance the stability and load capa-city， make output voltage more stable.

Key words LM5117； Buck DC； feedback control

1 引言

开关电源凭借其相对于线性电源的体积小、效率高、可靠性强的优点，在越来越多的场合得到应用。传统的PWM开关电源电路结构复杂，开关频率低，电源功耗高，纹波系数大。随着对开关电源性能要求的不断提高，传统的PWM开关电源逐渐不能满足性能要求，随着半导体技术的迅猛发展。模块化的开关电源控制芯片的优越性能得到越来越广泛的应用，工作频率高，纹波系数小，带负载能力强，便于调试。TI公司生产的军工级新型同步降压控制器LM5117就是优秀代表。

2 LM5117介绍

LM5117是一款同步降压控制器，适用于高电压或各种输入电源的降压型稳压器应用。其控制方法基于采用仿真电流斜坡的电流模式控制。电流模式控制具有固有的输入电压前馈、逐周期电流限制和简化环路补偿功能。使用仿真控制斜坡可降低脉宽调制电路对噪声的敏感度，有助于实现高输入电压应用所必需的极小占空比的可靠控制。LM5117的工作频率可以在50～750 kHz范围内设定。可利用自适应死区时间控制来驱动外部高边和低边NMOS功率开关管（《LM5117技术手册》）。

3 方案描述

为满足题目要求，本系统能够处理两种输入信号：16 V直流输入电压、外部负载R。通过人工方式在两种输入信号之间进行功能的切换，然后通过LM5117为核心的稳压电路，分别实现16 V输入、5 V恒压输出，负载R可变输入、1～10 V电压输出这两种功能。同时利用采样电阻采集电流信号交给比较器控制，进行过流保护，提高系统可靠性。整体设计框图如图1所示。

4 方案设计

降低纹波 本系统采用加强输入输出的LC滤波网络，输入输出信号在送到对应端口之前均采用多个电容并联，大大降低纹波电压；输出端的LC滤波网络选用较小电感（10 μH），降低电路功耗，有助于提高电源效率；输出端采取C1和R21阻容吸收网络，消除尖峰[1]。

负载R检测 本系统使用LM358构成的恒流源电路[2]，将负载R的阻值转化成电压差分信号送入INA118仪表放大器进行放大，经恒流源转化后差分信号Ud与负载阻值R之间满足题目要求计算公式：Ud=R/1k（V）。

Ud被放大后通过运放，成为VOUT输出。

负载R检测如图2所示。其中，U1A构成恒流源，RL为待测负载R（仿真电路中条件RL=5k），U2的INA118P为仪表放大器[3]，处理恒流源转化的电压差分信号R3/R5和R6/R4分别构成的分压电路和比例电路。

稳压控制 本系统采用以LM5117芯片为核心的稳压电路，内部高增益误差放大器产生一个与FB引脚电压和内部高精度0.8 V基准之差成正比的误差信号。选取合适的RCOMP、CCOMP和CHF构成π型环路补偿元件，连接至COMP引脚的误差放大器。选取合适的反馈调节网络，使输出电压稳定到需求值[4]。

过流保护 LM5117芯片的UVLO端口是欠压锁定编程引脚。当UVLO引脚低于0.4 V时，稳压器处于关断模式，所有功能被禁用。如果UVLO引脚电压高于0.4 V并低于1.25 V，稳压器随VCC稳压器运行而处于待机模式，此时SS引脚接地，且HO和LO输出端不会切换。决定利用这一特性，使工作电流超过额定电流时强制拉低UVLO口的电压至0.4 V～1.25 V之间，将LM5117芯片置于待机状態。

采集输出电流，将取样电压与达到额定电流时的电压进行比较，将比较结果使用CD4013进行锁存，并反接肖特基二极管SS14，使过流时的UVLO端口钳位到0.7 V，达到过流保护的效果[5]。过流保护如图3所示。主电路整体原理图如图4所示。

5 测试方案与测试结果

首先，将本系统与外部直流电源相连接，调节直流电源输出电压，使得系统输入UIN=16 V，保持恒定。调节负载大小，当IO=0.2IOMAX，记录UO，即为轻载输出电压；当IO=IOMAX，记录UO，即为满载输出电压，计算负载调整率SI。

其次，调节直流电源输出电压，当系统输入UIN=13.6 V和UIN=17.6 V时，分别记录UO13.6V、UO17.6V，计算电源电压调整率SV。

再次，调节直流电源输出电压，使得系统输入UIN在13.6～17.6 V范围内变化，在其中选取5组不同输入电压值进行测量。记录不同输入电压UIN分别对应的输入电流IIN、输出电压UO以及输出电流IO，计算转换效率η。

最后，调节直流电源输出电压，使得系统输入UIN=16 V，保持恒定。改变外接待测电阻R大小，测量并记录不同阻值下对应的输入电流IIN、输出电压UO以及输出电流IO，计算转换效率η。

测试结果如表1～表4所示。

经测试，本系统能够完成题目所有的设计性能要求。并且在负载调整率及转换效率方面均优于设计要求。

6 结论

通过一系列功能测试，本系统以LM5117为核心设计稳压电路，实现16～5 V的DC-DC电压变换，同时能够检测外接负载R大小并根据一定的公式调节输出电压。经测试，系统能够实现所有要求，并提高电源效率达到91%以上，负载调整率降至0.4%，同时将纹波电压峰峰值控制在20 mV

以内，是一款性能优良的降压型直流开关稳压电源。

参考文献

[1]童诗白.模拟电子线路[M].北京：清华大学出版社，1996.

[2]姚福安，徐向华.电子技术实验课程设计与仿真[M].北京：清华大学出版社，2015.

[3]陈大钦，罗杰.电子技术基础实验[M].3版.北京：高等教育出版社，2008.

[4]姚福安.电子电路设计与实践[M].济南：山东科学技术出版社，2005.

[5]梁秀梅，于平义.模拟电子技术实验课程[M].西安：西北工业大学出版社，2008.