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摘要：本降压型直流开关稳压电源以LM5117芯片和CSD18532KCS MOS场效应管为核心器件，实现了DC--DC转换，并以STM32f103zet6单片机作为主控制芯片，实现了过流保护控制、电阻负载识别以及实时显示输出电压、电流和功率等功能。该电路架构简单、输出稳定，转换效率高，能在DC-DC转换场合得到广泛应用。
关键词：LM5117；CSD18532KCS；DC-DC转换；稳压
前言：电子产品的正常持续工作一般都离不开稳定的电源，开关电源主要通过控制晶体管的开和关的时间比率，维持一个近似稳定输出电压的一种电源。开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）IC和MOSFET，变压器等构成。开关稳压电源根据开关管在电路中的连接方式分类，主要分为串联型开关稳压电源、并联型开关稳压电源。开关稳压电源的效率高，电压范围宽，输出电压相对稳定，由于开关管工作在开关状态，功耗小，所以开关电源的工作效率可达80%～90%，这为开关电源提供了广阔的发展空间。本文针对降压型直流开关稳压电源作了深入研究和探索，提出了一种切实可行的设计方案。
1、方案分析论证
方案1: Buck-Boost变换器
Buck-Boost变换器是输出电压既可以高于输入电压也可以低于输入电压的单管不隔离DC-DC拓扑结构。从图1可以看出其主电路的元件主要由开关管、二极管、电感、电容构成。输出电压直接变反相。其工作方式有两种:电感电流连续和非连续两种方式。然而输出、输入电流具有波动性，对输入电源会产生一定的电磁干扰，输出还有一定的输出纹波。
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注：Vro为总纹波大小，纹波是叠加在直流电压的交流部分。ESR 为C的的等效串联电阻。
由公式可知减小纹波电压的方法：
（1）适当增大开关频率，但此做法会让系统功耗增加，电源效率降低；
（2）减小ESR，可选择若干电解电容，瓷片电容并联ESR的值只有几十毫欧，此方法有效减小纹波的同时可提高电容量，即增加输出滤波电路电感；
（3）采用π型LC 滤波电路也可有效降低输出端纹波。
（4）输出滤波电容使用X7R或者X5R电容与胆电容组合。
2.4 DC-DC变换
采用非隔离型Buck电路，以LM5117为核心，由开关管CSD18532，电感，电容组成。由两个开关管交替导通将输入直流电压变化成矩形波，空载时满足Vo=（△W为空占比），当负载接入时，输出电压通过分压电阻反馈到芯片Fb脚，使其保持电压稳定并可调的输出。
2.5 稳压控制
如图5所示，自LM5117的FB引脚输出的电阻分压信号可设定输出电压在一定范围内变化，FB引脚的调节阈值为0.8V。设定R0为1.2k，由电路图可以确定DA输入 Ui和输出UO间的关系为：
， 通过确定R1，R2的阻值进行优化即可稳定输出连续的电压值，以实现输出电压的数字化控制。
3、电路设计
LM5117包含一个双电平UVLO（欠压锁定）电路。当UVLO低于0.4V时，LM5117处于关断模式。关断比较器可提供100 MV的迟滞，以避免转换过程中的跳动（CHATTER）。当UVLO引脚的电压高于0.4V，但低于1.25V时，控制器处于待机模式。在待机状态下，VCC偏置稳压器被激活，而HO和LO驱动器被禁用，SS引脚保持低电平。此功能允许通过一个集电极开路或漏极开路器件将UVLO引脚拉至低于0.4V，以实现远程关断功能。当VCC引脚超过其欠压锁定阈值，且UVLO引脚电压高于1.25V时，HO和LO驱动器被启用，并开始正常运行。
此处直接选取13.5V电压能正常开机即可，根据UVLO=1.25V，这里选取电阻RUV2为91K，RUV1=10K，使得U=1.25*（91K+10K）/10K, 即Uin>12.6V，此电路即可工作。
在MOS管导通的时间里，电感L会将通过的电能转换为磁能，把能量贮存起来。电容C将通过电感L的那部分电流转化为电荷贮存起来。在MOS管截止的时间里，电感L会产生反向电压，将其输送给负载R并与续流二极管D组成回路，同时电容C将电荷转换成电流向负载供电。
4、运行结果测试
4.1 器件选择
由各种计算分析选择开关频率Fsw=1000k Hz，定时电阻Rt=51K， 输出电感Lo=22μH，电流检测电阻Rs=5mΩ，输出电容采用4个47μF电容并联Cout=235μF，输出分压器Rfb1=1.45K，Rfb2=6.2K，电位调节器处处电压为5V，Fcross=10K，Rcomp=27.4K，Ccomp=15nf。
4.2 方案测试
采用控制单一变量的方法对上述设计进行测试，测试结果该开关稳压电源不仅满足设计要求，而且在此要求的基础上更加优化即输出电压偏差|Uo|≤35m V，最大输出电流Io=3.2A，负载调整率Si=0.002，电压调整率Sv=0.002，系统效率η=92.8%。
5、结论
本开关稳压电源的设计核心是LM5117芯片，通过实际设计表明，以 LM5117为核心设计的降压型直流开关稳压电源DC-DC的转换率可达92.8%，具有广泛的使用价值。
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论文作者:肖金荣
论文发表刊物:《防护工程》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/12
标签：电压论文; 稳压电源论文; 电容论文; 电感论文; 电路论文; 开关电源论文; 电阻论文; 《防护工程》2018年第23期论文;