康艺馨，谷诗宇，刘海鹏
（1.中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110000；
2.32683部队(沈阳联勤保障中心某部)，沈阳 110094）
20世纪50年代初，开关电源逐步代替了传统的工作电源，其因其体积小、重量轻、效率高、稳定性强等优势，被广泛应用在工业电子等领域[1]。直至20世纪90年代，开关式电源系列逐渐迈入高速发展的关键时期，主要应用于军事、电子、电力、家电等关键应用领域。进入21世纪以来，开关电源技术已广泛应用在手机、个人电脑、消费电子、家用电子设备、学校设施和工业机器等各个领域。当前环境下，设计一种切换速度快、频率高、效率高、安全和环保的电源已经成为了众多学者的研究课题。本设计尝试围绕LM5117并以CDS18532KCS MOS等器件为主要设备，对降功耗型开关电源展开研究。
2.1 基础电路
DC-DC同步整流电路如图1所示，其由LC低通滤波电路、同步整流电路、开关电路和负载电阻组成。采用同步电路提高转换效率；
功率MOSFET取代了整流二极管。采用这一设计，可以通过控制两个MOS晶体管的开关时间来控制输出电压[2]。
图1 同步整流电路原理图
LM5117是一种降压芯片，适于用来设计高输入电压或高输入功率的降压稳压器。LM5117提供了一种电流斜坡控制方式，具有固有的输入电压前馈和周期电流，便于环路补偿设计。电流斜坡控制方法可以降低PWM电路的噪声敏感性，适用于要求高输入电压的应用场合[3]。
2.2 降低纹波方法
由于纹波和噪声的干扰，开关电源的输出是带有交流分量[4]的直流电压。当开关电源工作时，直流电压的波动会在开关操作过程中产生纹波，导致输出电压不稳定。
由于开关电源的幅值大，由共模纹波、UHF谐振和闭环控制等因素引起的纹波噪声[5]，其纹波复杂度高，难以滤波。在实验中已证明功率纹波主要由开关频率纹波和高频峰值噪声组成。开关频率纹波是指电源的开关操作使电容器充放电，产生低频脉动电压；
高频脉冲噪声则主要是由MOS晶体管在开/关时所产生。
在设计中，降低纹波的方法包括：
(1)计算低频滤波器的电感、电容值。输出纹波与输出电容呈反比关系[6]，可在电源电路设计中通过并联的方式改变电容值，最终减小纹波。
(2)电容器并联连接在MOS管栅极与源之间，使MOS管的电感和并联等效电容构成RC振荡器。用MOS管的栅源连接电容或RC缓冲网络抑制MOS管在开关过程中的高频振荡[7]。
(3)通过最大限度地提高功率变换器的工作频率，来缩短电容器的充放电时间，减少纹波[8]。
(4)示波器带宽限值为20Mpbs，在示波器探头上并联0.1μF的陶瓷电容和10μF的电解电容[9]，可以减少纹波干扰，同时通过示波器探头进行调节。
根据设计原理分析，确定整体的设计思路。系统整体工作流程框图如图2所示。
图2 系统整体工作流程图
3.1 外围电路设计
为确保所设计系统正常工作，需要详细设计辅助LM5117共同运作的外围电路，具体方案如下：
1)UVLO外围电路
UVLO外围电路如图3所示。UVLO引脚为低压锁定可编程端。为降低芯片的最小输入运行压力，需在VCC与地之间增加分压器R3。系统通过开启或关闭芯片内20μA沉降电流来实现UVLO延迟；
由此产生的压力差也可同时用来改变UVLO的阻抗。当芯片UVLO引脚电压超过1.25V的极限电压时，开启延迟电流，UVLO引脚处电流提高。当芯片UVLO引脚电压小于1.25V时，关闭延迟电流，从而降低UVLO引脚处电流。通过增加电阻R4与电容C3，可减小开关中注入UVLO引脚处产生的噪声。
图3 UVLO外围电路
2)RT外围电路
LM5117的开关频率可以通过在RT引脚和地之间增加R8进行测试，构成RT外围电路，如图4所示。
图4 RT外围电路
3)RES外围电路
在限流周期中，PWM时钟周期将通过内部打嗝模式故障定时器进行计算。通过RES连接C20，从而确定LM5117在芯片重新启动之前的等待时间。当故障定时器测试到256个连续循环的时间限制时，LM5117在芯片内部的复位定时器将使芯片重新进入低功耗待机模式。当电流经过C20时，HO和LO处的信号中断，随后C20电容放电。当芯片的RES引脚电压大于阈值电压1.25 V时，C20电容开始放电。RES外围电路设计如图5所示。
图5 RES外围电路
4)FB与COMP外围电路
该部分外围电路设计如图6所示。外围电路通过芯片FB引脚，作为分压信号来设定芯片的输出电压。参考电压是FB引脚电压与内部高精度0.8V电压的差值。芯片内部的高增益误差放大器可以产生与参考电压成正比的误差信号。COMP为误差放大器引脚端，可以由外置II型回路补偿输出，即电阻R9、电容C19、电容C8。
图6 FB与COMP外围电路
3.2 仿真电流检测与斜坡补偿
仿真电流检测是通过采样、维持直流电压和附加倾斜度来实现的。检测到的电流需在开关管下一次输出时间开始前取样并保持。当外部电路的开关管电压过低时，芯片无法正常工作，会产生巨大功耗，需要增加开关管电压使芯片处于正常工作状态。设计通过在芯片的SW、RAMP引脚和接地之间连接外部电阻和电容来设置RAMP的倾斜度，产生倾斜度信号。所设计的斜坡补偿电路如图7所示。
图7 斜坡补偿电路
LM5117芯片不计算开关管电流，而是重建倾斜信号。SW引脚和RAMP引脚之间的电阻R2不能直接连接到输入引脚上，因为当输入电压较高时，输出电压可能远远高于最大额定电压。芯片的坡道引脚通过内部开关管放电，并且需要在最小的中断时间内完全放电。
系统硬件部分的设计主要包括去耦滤波电路、LC滤波电路和MOS管驱动电路三部分。
由于电源不是理想的电压源，需要先对系统中的所有电路进行解耦，并使用解耦电路来降低电源的耦合噪声。由电容或电感组成的解耦电路可以隔离电源与地，减少电路之间的耦合，从而降低电路中电源的噪声。去耦滤波电路设计如图8所示。
图8 去耦滤波电路
LC滤波电路在开关电源中起着关键作用。当通过LC滤波器电路的电流存在干扰信号，则输出的部分交流干扰信号就会被电感所吸引，转变为磁能和热量。电容会产生抑制干扰信号的效果，使输出电压相对稳定。LC滤波电路设计如图9所显示。
图9 LC滤波电路
MOS管驱动电路由芯片的NMOS单元和由芯片驱动外部NMOS的低电平转发器构成，如图10所示。其中引导电容连接芯片的HB和SW引脚。当芯片中HO外接NMOS关闭时，SW引脚处的电压约为0V。当电源以较大的PWM负载比工作时，HO外接NMOS每周期强制关闭320 ns的时间，以保证HB引脚充电完全。为降低功耗，选用CSD18532KCS或MOS晶体管完成此处设计。
图10 MOS管驱动电路
在实验中，先测量输出电压偏差。在输入电压16 V的条件下，用万用表测试输出电压，并算出实际值与额定电压之间的偏差，测量结果如表1所示。可见，输出电压的偏差值小于15mV。
表1 输出电压偏差测量结果
再测量输出电流。仍在16V输入电压条件下，万用表与电阻串接进行测量，测量结果如表2所示。可见，经多次测试，输出电流大于3A。从这两项测试结果综合来看，实测值满足设计预期。
表2 输出电流测量结果
整个设计采用LM5117降压芯片作为DC-DC稳压器电源的主要部件，通过丰富的外围电路设计，将CDS18532KCS型MOS器件、LM5117芯片外接电路和整个电源系统的硬件电路相结合，形成DCDC开关电源。该设计在额定输出电压为5V时，输出电流能达到3A以上，满足设计的预期目标。
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