基于LM5117降压型开关电源的设计

黄勇 徐邦贤 潘宇

摘要：降压型直流开关稳压电源由于具有功耗小、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。本系统设计采用采用降压（Buck）型拓扑结构，选用PWM芯片LM5117，配以必要的外围元件，控制功率开关管CSD18532KCS ，实现电压的稳定输出。其具有较好的负载调整率和电压调整率，带负载能力强，大电流下纹波电压小，电路可靠，转换效率高等特点。

关键词：开关电源；PWM；LM5117；CSD18532KCS

中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）05-0170-02

开关电源作为稳压电源的主流产品，具有效率高，功耗低，体积小，重量轻等优点，应用领域非常广泛。本系统采用降压（Buck）型拓扑结构，以带模拟电流监视器的宽输入电压范围的LM5117芯片为核心控制CSD18532KCS MOS场效应管，实现电压的稳定输出。

1 系统设计方案

降压型直流变换器原理图如图1所示，它由功率开关管VT，储能电感L，续流二极管VD，输出滤波电容C以及PWM控制电路组成。其工作原理是当输入电压或负载变化引起输出电压变化时，通过闭环负反馈控制电路自动调节功率开关管VT导通时间占空比，从而使输出电压保持稳定。改变占空比的方法采用脉冲宽度调制（PWM）。

PWM控制电路采用TI公司的LM5117芯片配以少量元器件，具有控制电路所需的必要功能，简化了电路设计，提高了系统的可靠性。开关管选用CSD18532KCS MOS场效应管，续流二极管选用SR3100。

2 主要功能电路设计

2.1 PWM控制电路的设计

LM5117是一款采用峰值电流模式控制的同步降压控制器，具有较宽的输入电压范围和热关断功能。

（1）FB为闭环负反馈反馈输入端，接输出电压的电阻分压信号，通过调节分压信号可以调节输出电压电平；C7、R5、C10构成单极点单零点补偿器电路（Ⅱ型环路补偿），以实现稳定的电压环路增益。

（2）开关频率由直接连接至RT和AGND引脚并靠近器件的電阻R7设定，范围可在50KHZ到750KHz改变；设开关频率为100KHz，R7取51KΩ。

（3）2脚DEMB接地启用二极管仿真；R1与C2用来设置PWM的斜波斜率，产生一个RAMP斜波信号来仿真电感的交流分量。此信号不需测量没有滤波延迟，没有前沿尖峰，并保持了峰值电流模式控制PWM暂态闭环响应较快，对输入电压的变化和输出负载的变化瞬态响应快等优点。

（4）1脚UVLO为欠压锁定编程引脚，远程控制EN通过Q1、R10、C6使稳压器处于待机模式。

（5）CM提供检测到电感电流平均值输出，R3、C5和R2、C4为两级RC滤波器，用以衰减电流采样噪声。CS为电流检测放大器的输入，图3中的电阻R9为电流检测电阻。

（6）HO和LO为高边、低边NMOS栅极驱动输出，应尽量通过一条低电感的短路径连接；高边栅级驱动需与二极管D1和自举电容C1配合工作。同时，HO和LO采用自适应死区时间来控制，以确保HO、LO输出不会在同一时间输出。

2.2 电源底板的设计

（1）储能电感L1足够大才能使电感电流连续，否则电感电流就会不连续。不连续模式将使直流变换器带负载能力降低，稳压精度变差和纹波电压增大。但L1值过大其体积和重量也会增大，应综合考虑。

本设计输出电压Uo=5V，输入电压要取最大值Ui=16V，输出电流Io=3A，纹波电流一般取满载电流的40%，开关频率为100KHz，可算出临界电感Lc=7.1uH，综合考虑取47uH，此时纹波电流最大值为0.73A。

（2）输出滤波电容C应采用高频电解电容，常用多个电容器并联，使输出电容C有较小的等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）。选择一个ESR最大为20mΩ的220uF高频电解电容为主输出电容，其最大纹波输出电压为理论值可由下式算出，低于20mV。为进一步降低输出电压纹波和尖峰，可并接两个低ESR/ESL的陶瓷电容。

（3）图3中R2、R3、R4、R5、D1、D2可以缩短有效死区时间，确保场效应管Q2、Q3有足够的死区时间，以确保C1被充电。

2.3 辅助电源的设计

LM5117等需要有辅助电源供电，其稳压精度要求一般，本设计选择串联线性调整型稳压电源，采用三端可调正稳压器LM317来实现，电路简单，可靠、成熟，仅需外接电阻R1和RP2来设置输出电压（见图4），其线性调整率和负载调整率较好，并具有较高的纹波抑制比。LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。

3 测试结果

（1）在额定输入电压16V的情况下，输出电压Uo=5±0.05V，输出电流Io>3A，纹波电压实测低于60mV，其效率大于87%，满足设计要求；

（2）在输入电压为17.6V和13.6V时，电压调整率满足设计要求；

（3）在额定输入电压16V时，负载调整率满足设计要求。

4 结语

通过测试结果表明，本系统采用LM5117和CSD18532KCS MOS设计的降压型开关电源，带负载能力强，大电流下纹波电压小，具有较好的负载调整率和电压调整率，电路可靠，转换效率高等特点。

参考文献

[1]聂金铜，杨贵恒，叶奇睿，文武松.开关电源设计入门与实例剖析[M].北京：化学工业出版社，2016.

[2]江超，闻长远，王雨曦，高翔.一种基于TL494 Boost 型DC-DC电源设计[J].通信电源技术，2009，（4）：39-41.