基于LM5117P的降压型直流开关稳压电源设计

戴帅龙，屈秋梦，王家禹

（三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌，443002）

基于LM5117P的降压型直流开关稳压电源设计

戴帅龙，屈秋梦，王家禹

（三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌，443002）

降压型直流开关稳压电源是一种单向DC-DC变换器，实现稳定直流降压功能。本系统采用同步降压控制器LM5117P作为电路控制核心，以同步Buck电路作为降压主电路，通过闭环回路反馈设计以及芯片本身的精准采样，将输入电压16V降为5V恒压输出。

Buck电路；DC-DC转换；LM5117P；稳压

0 引言

降压型直流开关稳压电源具有功耗小、效率高、输出稳定电压范围宽等优点,在当今电子设备中充当着重要角色。本文根据生产要求，通过研究降压型直流开关稳压电源转换机理，对降压型直流开关稳压电源方案进行论证，分析降压型直流开关稳压电源理论并计算相关参数，以降压控制器LM5117芯片和CSD18532 MOS场效应管为核心器件设计降压型直流稳压开关电源。

1 方案论证

1.1 DC-DC主回路拓扑结构

方案①:异步Buck降压斩波电路拓扑结构由一个NMOS晶体管和一个二极管构成，电感L交替地存储和释放能量，电容C可将输出电压保持平稳，输出电压与输入电压的关系为Uout=DUin，由于D≤1,所以Uout≤Uin。该电路采取直流变流的方式实现降压。

方案②:同步Buck降压斩波电路

同步Buck降压斩波拓扑结构跟异步基本相同，由两个NMOS晶体管构成，N2代替上图的二极管起续流作用。在负载电流较大情况下，同步Buck电路相对导通功耗小，且同步Buck电路的效率要大于异步Buck电路的效率。

图1 为系统总体结构图

1.2 系统结构

本系统以同步降压控制器LM5117P作为电路控制核心，Buck电路为主拓扑结构，将输入、输出电压分别进行滤波之后，降压输出，其中芯片连接过流保护电路，输出电压通过采样电路反馈调节占空比进行稳压。

2 理论分析与计算

2.1 降低纹波的方法及参数计算

并联滤波电容可以平滑电感纹波电流引起的输出电压纹波即降低输出电压纹波的幅值，并在瞬态负载条件下提供一个充电电源。

参考实验室器材，选取22μF电容器作为主输出电容。由于与主输出电容并联，以进一步降低输出电压纹波，可以选取10μF、1μF、20nF电容与其并联，构成33.02μF的输出电容。

2.2 DC-DC变换方法

由所选的方案知，电源通过同步Buck实现DC-DC降压变换，一个周期T内，两个开关管若同时导通会使电路短路（不存在）。

当N1闭合时（ton），电感L两端的电位为Uin和输出电压U0，电感电流增加，电感储能，电源向电容充电，电容储能。

当N2闭合时(toff)，电感L中的磁场将改变其两端的电压极性，以保持其电流方向不变。电感L两端的电位变为零和U0，电感L中的电流线性下降，其中储存的能量提供给负载。同时，当U0有所下降时，电容C也为负载RL提供能量。

负载电压的平均值由公式（3）可得，

实现了DC-DC变换。

2.3 稳压控制方法与参数计算

输出电压处的分压电阻如图,通过滑阻R2调节A点处采样电压的大小，经过反馈通路到达芯片的FB端口，与REF预设值进行运算之后输入PWM比较器。

图2 为稳压反馈采样电路

当Uout≥5V时,PWM比较器通过比较适当减小占空比，从而降压使电压回到5V;当Uout＜5V时，PWM比较器通过适当增大占空比，从而升压使电压回到5V，这样就达到了稳压的要求。

3 电路与程序设计

3.1 主回路与器件选择

为降低损耗，主开关选择CSD18532KCS MOS场效应管，并用另外一个CSD18532KCS MOS场效应管代替续流二极管，两个三极管可降低导通压降，从而降低损耗。

3.1.1 开关频率

降压控制器LM5117芯片的开关频率为50kHz至750kHz,为了降低开关损耗，工作频率不宜过高，本系统设计时开关频率采用200kHz。

3.1.2 功率参数

要求输入电压UIN在13.6V到17.6V之间可调，所

以设置UIN在13V到18V之间。由于U0=R/1KΩ，通过调节滑阻当U0在1V到10V之间时，最大电流为3A。所以最大功率为30W。

3.1.3 电容

滤波电容C:

由公式（1）、（2）可得C=15μF同时，为了消除电容ESR效应，此处采用了12μF, 10μF, 1μF和20nF多个电容串联的方式来降低纹波。

3.1.4 电感

通过Buck电流临界连续情况计算，Imin=0A，此时最小负载电流为I0min，负载临界连续电流为IG。由计算公式得L=300μH。

4 测试方案与测试结果

4.1 测试方案

保持额定输入电压16V,调节滑动变阻器，多次测量电压U0值，并记录输出电压偏差|ΔU|,多次测量并记录最大输出电流值I0max，见表1。

4.2 测试结果及分析

表1 稳压的输出电压U0、电流I0max、及波峰峰值Upp

5 结论

本电路结构轻巧，性能优良，多个指标均达到并超过了预期要求。保护电路完善，使用更安全。本电路尚存在不足之处，以后还需努力和改进。

[1]郑溢.一款降压型直流—直流开关电源的设计与实现[D].西安电子科技大学,2013.

[2]尹华,刘锐.PWM型DC/DC变换器过流/短路保护电路的设计[J]. 微电子学,2008,01：108-110+115.

[3]高连波,苗国强,王丰贵.智能型多通道DC-DC变换器设计[J].现代电子技术,2013,22：152-155.

Design of Step - down DC Power Supply Based on LM5117P

Dai Shuailong，Qu Qiumeng, Wang Jiayu
(College of Electrical Engineering & Renewable, China Three Gorges University, Yichang Hubei, 443002)

Step-down DC switching power supply is a one-way DC-DC converter, which is designed to achieve a stable DC buck function. The system uses the synchronous buck controller LM5117P as the circuit control core, with synchronous Buck circuit as the main circuit of the buck, through the closed loop feedback design and the precise sampling of the chip itself, reducing the input voltage 16V down to 5V constant output voltage.

Buck circuit; DC-DC convert; LM5117P; Regulator