基于LM5117大功率恒流源的设计

郑世伟，饶连周，许国忠，王坤森，张廷光，陈俊玮

（1．装备智能控制福建省高校重点实验室，福建 三明 365004；2．三明学院 机电工程学院，福建 三明365004；3．福建电视大学 三明分校，福建 三明365000）

基于LM5117大功率恒流源的设计

郑世伟1,2，饶连周1,2，许国忠1,2，王坤森1,2，张廷光1,2，陈俊玮3

（1．装备智能控制福建省高校重点实验室，福建 三明 365004；2．三明学院 机电工程学院，福建 三明365004；3．福建电视大学 三明分校，福建 三明365000）

采用TI最新同步降压控制芯片LM5117与超低内阻MOS管CSD18532KCS为核心，设计一款具有宽输入电压15～55V，输出电压12V，输出电流12A的降压型大功率恒流源。样机经测试满载效率为91．1%、负载调整率Si≤1%、电压调整率Sv≤0．2%，可应用在电镀、热处理炉、照明等行业。

同步降压;LM5117;恒流源

随着电子技术的快速发展，电子设备发展越来越来高端和智能化，为了保证高端电子设备性能稳定，需要提供更加优质的高端电源，这就要求电源体积小，集成度、高频化[1]。为了提高效率，选择导通电阻极低的MOSFET替代整流二极管进行同步整流，能够降低损耗[2]。为了输出高功率，高电压输出使得器件选型上需要增加成本，所以降低输出电压，提高输出电流能够在一定范围内降低制造成本[3]。所以研究大功率恒流DC-DC降压型开关电源是新的趋势。

1 大功率恒流源的电路设计

大功率恒流源电路原理图见图1。本设计的大功率恒流源主要由芯片LM5117、场效应管CSD18532KCS和伍尔特电感组等元件组成，是一种具有宽输入同步降压拓扑（BUCK）电路结构。设定LM5117工作频率为230 kHz，正常工作时芯片LM5117可以产生两路互补PWM波，通过U1引脚15（LO）、引脚18（HO）分别控制场效应管Q2和Q1。由于LM5117内部自带死区时间，可以保证工作时场效应管Q1、Q2不同时导通，并经过LC电路实现恒流输出。根据设计需求，U1引脚2(DEMB)接高电平，选择电流连续工作模式。LM5117采用一种基于仿真电流斜波的电流控制模式，具有输入电压前馈、逐周期电流限制和环路补偿等功能，可降低脉宽调制电路对噪声的敏感度[4]。

图1 大功率恒流源电路原理图

2 大功率恒流源主要元件参数的设计

大功率恒流源电路主要元件参数的设计（见图1）采用以下条件：宽输入电压15～55 V，额定输入直流电压Ui=36 V，额定输出直流电压Uo=12 V，额定输出电流Io=12A，最大输出功率Po=144 W，LM5117的工作频率fsw=230 kHz。

2.1 输入电容和输入分压电阻

根据纹波电流额定值和最小纹波电压选择输入电容。根据芯片手册可得，输入纹波电流额定值的合适近似值是Irms＞Io/2=12A/2=6A[4]。本设计中，输入电容Cin采用5个优质三洋高频电解电容并联，C1=C2=C3=C4=C5=3.3 μF，可减少输入电容等效电阻，降低电容的损耗，提高效率。再由公式（1），可得输入纹波电压ΔVin=0.79 V。

LM5117启动电压与迟滞电压由分压器 R1、R2的分压值来设置。为了降低电源噪声干扰，在 R2两端并联陶瓷滤波电容C23，有助于降低注入到 UVLO引脚的开关噪声。根据芯片手册建议 C23值范围是 10～220 pF，采用陶瓷电容与R2并联[4]。在设计中，电容取值为C23=47 pF，启动电压设置为Vq=14 V，芯片内部迟滞电压 Vhys=2 V，迟滞电流 Ihys=20 μA[4]。 由公式（2）计算得 R1=100 kΩ，由公式（3）计算得R2=9.8 kΩ。

2.2 输出电感和输出电容

在BUCK电路中，输出电感L具有储能和平缓电流的作用，当输入电压最大时，电感纹波电流最大。较高的纹波电流可以使用较小尺寸的电感器，但为了平滑输出的纹波电压，输出电容要承担更大的负荷。通常情况下，选择纹波电流为满载电流20%至 40%[4]。本设计，选择最大纹波电流Ipp(max)为Io=12 A的 40%。根据设定的开关频率、最大纹波电流、最大输入电压和额定输出电压，输出电感Lo可以通过以下公式（4）计算，

可得Lo=8.51 μH。为了保证电感的储能效果最好，吸收纹波电流效果最佳，电感类型选择封闭式贴片伍尔特电感。

输出电容为负载提供可以平滑电感纹波电流引起的输出电压纹波，并在瞬态负载条件下提供一个充电电源[4]。选择等效电阻Resr为20 mΩ直插优质三洋高频电解电容并联，能够降低电容等效电阻，降低电容发热，提高电容的使用寿命，并且能够提高效率。因此，这里输出电容Co选择5个优质三洋高频电解电容并联，即 C18=330 μF，C19=47 μF，C20=47 μF，C21=33 μF，C22=33 μF。 并通过公式（5），计算可得较低的输出纹波电压ΔVout=96 mV。

2.3 驱动电阻、定时电阻、电流检测电阻和斜波电阻

场效应管Q1、Q2采用TI公司3.3 mΩ超低内阻的MOS管CSD18532KCS，具有输入阻抗小，内阻低，耐压高，控制电流大优点。根据场效应管的电器特性，设置驱动电阻R10=R10=10Ω，为了加快驱动速度，并联开关二极管D3、D4。

LM5117典型电路频率工作在50～750 kHz，工作频率越高，电感纹波小，集成度更高，但损耗也随之升高。这里折中选取较合理的工作频率fsw=230 kHz[4]。根据定时电阻计算公式（6），计算可得定时电阻R5=21.7 kΩ。

根据芯片手册，公式（7）中，取K=1以控制次谐波振荡和实现单周期阻尼；逐周期检测电压阈值Vcs(TH)=0.12 V；Ipp(min)=1.23 A；最大输出电流Io(max)取额定输出电流Io=12 A的 30%[4]。通过公式（7）计算，可得电流检测电阻R9=8.005 mΩ。

电感电流斜坡信号是通过 R3和 C6仿真实现的，取C6=820 pF[4]。通过式（8），计算可得斜波电阻 R3=130 kΩ。

2.4 输出反馈电阻

为了调整稳定输出电压Uo，根据芯片内部基准电压值，可设置输出反馈电阻R13和R14、R15。先设定 Rfb2=R13=12 kΩ，根据公式（9），计算可得 Rfb1=857 Ω，由此 R14=330 Ω，R15用 1 kΩ 的可调精密电阻。

3 大功率恒流源的测试数据

测试设备采用四位半数字万用表、电子直流负载仪、KT137失真度仪和数字示波器。

额定输入电压36V，调整负载，使输出电压12V，输出电流12A，测试5组数据，并计算出输入功率、输出功率和效率，具体数据见表1。由此可见，在恒流源满载的情况下，效率可达η=91.1%。

表1 恒流源的功率和效率

表2 恒流源的负载调整率和电压调整率

在额定输入电压36 V，输出电流12 A时，调整负载，测试5组数据并计算出电流负载调整率Si；在输出电流12 A时，调整输入电压从15 V变到55 V，测试5组数据并计算出输入电压调整率Sv。具体数据见表2。由此可见，恒流源的电流负载调整率Si＜1%和输入电压调整率Sv＜0.2%。

4 结论

论文阐述了基于TI公司LM5117芯片、场效应管CSD18532KCS和伍尔特电感为核心器件的大功率恒流源。样机在输入电压15～55 V的范围内，调整负载，测得输出电压Uo=12 V，输出电流Io=12 A，转换效率为η=91.1%，负载调整率Si＜1%，电压调整率Sv＜0.2%，是一款输出电压稳定，纹波小，低损耗，高性能大功率恒流源，可以应用在电镀、医疗设备、高端电子设备等行业，值得研究和推广。

［1］ 黄海宏，王海欣，张毅．同步整流的基本原理［J］．电气电子教学学报，2007（2）：27－29．

［2］陈弯．一种高效率升降压DC－DC变换器的研究［D］．锦州：辽宁工业大学，2016．

［3］ 沈志亮，饶连周，梁其波，等．基于单片机和 GPRS 智能限电器的设计［J］．三明学院学报，2016，33（4）：72－77．

［4］ LM5117／Q1 具有模拟电流监视器的宽输入范围同步降压控制器［EB／OL］．［2017－03－13］．http： ／／www．ti．com．cn ／product／cn ／LM5117 ／datasheet／8_ZHCS579F．html.

（责任编辑：朱联九）

Design of High-power Constant Current Source Based on LM5117

ZHENG Shi-wei1,2,RAO Lian-zhou1,2,XU Guo-zhong1,2,WANG Kun-sen1,2,ZHANG Ting-guang1,2,CHEN Jun-wei3
（1.Key Laboratory of Equipment Intelligence Control of Fujian Province,Sanming 365004,China;2.School of Technical and Electronical Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China;3.Sanming Branch School,Fujian Television University,Sanming 365000,China

Taking the latest synchronous step-down control chip TI LM5117 and ultra-low resistance MOS tube CSD18532KCS as the core,a wide input voltage 15～55V,output voltage 12V,output current 12A step-down type high-power constant current source is designed in this paper.The prototype is tested with full load efficiency 91.1%,load regulation factor Si≤1% and voltage regulation factor Sv≤0．2%,which can be used in electroplating industry,heat treatment furnace,lighting and other industries.

synchronous buck;LM5117;constant current source

TM46

A

1673－4343（2017）04－0052－04

10．14098 ／j．cn35－1288 ／z．2017．04．009

2017－04－19

福建省“卓越工程师”教育培养计划改革试点项目（SD1108）

郑世伟，男，福建德化人，大学生；通讯作者：饶连周，男，福建明溪人，教授。主要研究方向：光电技术及自动控制。