基于LM5117的降压型DC—DC变换研究
摘 要
LM5117是美国德州仪器（TI）公司生产的一种同步降压控制器，对以这款产品为主体的降压型DC-DC变换电路进行了探讨，阐述了研究意义，对其工作原理做了进一步地说明。
【关键词】LM5117 降压型DC-DC变换 纹波电压
1 研究意义
20世纪60年以来，以半导体器件为主的电力电子变换电路得到了迅速发展。从广义上说，将一种电源形态变化成另一形态的主电路都被称为开关变换电路；转变时用闭环控制系统来稳定输出并具备保护环节则称开关电源。DC-DC变换器是开关电源的主要组成部分，因为它是转换的核心，并涉及频率变换。传统的DC-DC变换器存在着电路结构复杂、调节精度差、输出纹波系数大等问题。
随着科学技术的突飞猛进，对电源供电的可靠性、稳定性及电源容量等要求越来越高，模块电源日益显现出其优越性，其可靠性高、稳定性强、工作频率高、体积小，便于安装和组合扩容，所以越来越被广泛采用。LM5117正是这样一种具有同步降压功能的控制器。
2 降压型DC-DC变换器
2.1 降压DC-DC基本电路
“变流”技术是电力电子技术的核心内容，分为四大类：整流变流（AC-DC）、逆变变流（DC-AC）、直流斩波（DC-DC）和交流变频（AC-AC）。DC-DC变换器由于其输出电压由一系列脉冲组成，波形看上去就好像被周期性的斩切了一样。所以称为直流斩波器。
降压斩波基本电路如图1所示。
基本工作原理为：
1.t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。
2.t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。
3.通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。
2.2 数量关系
2.2.1 电流连续时
在电路稳态情况下，负载电流在一个周期内的初值和终值相等，如图1（b）所示。负载电压的平均值为：
（1）
式（1）中，ton为V的通态（导通）时间；toff为V的断态（关断）时间；T为开关时间（周期）；α为占空比。
由此式知，输出平均电压Uo是与α成线性关系，因此图1-a所示电路被称为降压斩波电路。
负载电流平均值为： （2）
根据能量守恒定律，一个开关周期内，如忽略电路损耗，则输入功率Pi等于输出功率Po，即UiIi=UoIo。因此，其值小于等于负载电流Io。
2.2.2 电流断续时
（3）
由式（3）可知，输入电流I1与输出电流IO及占空比α成线性关系，当V关断时，瞬时输入电流从峰值变为0，这样对输入电源会有较大的谐波危害。因此，该电路通常不允许出现电流断续的状态。
3 LM5117简介
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的功能。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。
3.1 LM5117的功能
LM5117高电压开关控制器具有实现宽输入工作电压的高效高电压降压型稳压器所有必要的功能。这种易于使用的控制器集成了高边和低边 NMOS 驱动器。使用仿真控制斜坡可降低 PWM电路的噪声敏感度，有助于可靠处理高输入电压应用所必需的极小占空比。LM5117 的用户可编程开关频率高达 750 kHz。RT 引脚允许通过一个电阻或同步至外部时钟对开关频率进行编程。故障保护功能包括逐周期和打嗝模式电流限制、热关断及远程关断功能，拉低 UVLO 引脚即可实现。UVLO 输入可以在输入电压达到用户选择阈值时启用稳压器，拉低时可提供
非常低的静态关断电流。独特的模拟遥测功能提供了平均输出电流信息，适用于需要电流监控或电流控制的各种应用。
3.2 LM5117应用实例
应用电路如图2所示。电路设计要求为
（1）电路输出直流电压Uo=5V，输出电流最大值IOMAX=3A；
（2）输出纹波电压峰值：UOPP≤50mV；
（3）IO从满载IOMAX变到轻载0.2IOMAX时，负载调整率为
（4）
从设计要求可看出，设计重点是降低纹波系数。降低纹波所采取的步骤为：
3.2.1 输出电感的选择
最大电感纹波电流出现在最大输入电压时。通常情况下，20%至 40%的满载电流是在磁芯损耗和电感铜损之间一个很好的折中方案。较高的纹波电流允许使用较小尺寸的电感器，但为了使输出的纹波电压更加平滑，输出电容应当承担更大的负荷。对于这个例子，选择的纹波电流为3A的40%。已知开关频率、最大纹波电流、最大输入电压和标称输出电压，电感值可以用以下公式计算：
（5）
式中，IO（MAX）=3A，fSW为开关频率，300KHZ，UI（MAX）为最大输入电压，16V。由此可得，LO=9.94μH。
3.2.2 输出电容
输出电容器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。对于这个设计实例，选择了一个最大 ESR 为 20 m? 的 470 μF 电解电容作为主输出电容。具有最大 ESR的输出纹波电压的基本元件近似值为：
（6）
严格将电源地与输出地分开，输出波形图3所示。
从图3中可看出，电路设计达到要求。
4 小结
开关电源的模块化是电源设计的趋势，其优势表现为：优化设计、成本降低、电路可靠等。本文尝试以LM5117为主体，设计BuckConverter，其结果完全达到设计要求。
参考文献
[1]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000.
[2]朱光宇.基于单片机的降压型DC-DC变换研究 [J].科技风，2013（06）：71-71.
[3]LM5117中文数据手册[EB/OL]，http：//www.ti.com.cn.
