基于LM3150的Buck型DC-DC電源設(shè)計(jì)與仿真

潘 佳

(安徽理工大學(xué),安徽 淮南 232001)

0 引言

為了使開關(guān)電源的性能滿足電子產(chǎn)品對(duì)高性能、小體積及高可靠性要求,開關(guān)電源設(shè)計(jì)人員會(huì)對(duì)元器件選擇、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇和輔助電路設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行優(yōu)化研究[1]。本文以低電壓高效率Buck型DC/DC變換器為研究對(duì)象,對(duì)其主電路進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)。針對(duì)LM3150的工作特點(diǎn),本文先將主電路進(jìn)行拆分,從而利用主電路中兩個(gè)功率管同時(shí)控制推挽式拓?fù)渑c全橋式拓?fù)?后基于LM3150的主要性能指標(biāo)選擇其外圍元器件,其中包括功率管、電感和電容等;接著設(shè)計(jì)出該芯片的外圍電路。借助WEBENCH工具可以根據(jù)電源芯片LM3150實(shí)際情況并考慮價(jià)格成本以及精巧設(shè)計(jì)等因素,設(shè)計(jì)出一個(gè)符合預(yù)期要求的電源。

1 主要結(jié)構(gòu)分析

1.1 電源芯片LM3150相關(guān)知識(shí)

LM3150是一款典型的開關(guān)電源控制芯片,具有工作頻率高;功耗低;驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。LM3150的內(nèi)部集成了兩個(gè)全橋結(jié)構(gòu),因此它可以在單個(gè)PCB電路板上安裝。它還具有非常廣泛的應(yīng)用范圍,例如該器件可用于電池供電的產(chǎn)品、便攜式設(shè)備、電池供電顯示器等。內(nèi)部還具有可編程啟動(dòng)電路、自動(dòng)穩(wěn)壓電路和過流過壓保護(hù)等電路。

1.2 WEBENCH Power Designer設(shè)計(jì)工具介紹

這是美國(guó)公司德州儀器(TI)設(shè)計(jì)的一種用于電源設(shè)計(jì)以及電源仿真的線上軟件,它的使用功能十分強(qiáng)大,比如電源,比較器,放大器以及濾波器等的電路元件,還包括音頻信號(hào)和無線信號(hào)等信號(hào)傳播方式,該軟件都可用以對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真。

1.3 Buck變換器工作原理介紹

Buck變換器電路如圖1所示。

圖1 Buck變換器電路

參考圖1的變換器電路,可以知道組成串聯(lián)開關(guān)穩(wěn)壓電源的主要結(jié)構(gòu)部分有:MOS管M1,單向通過的二極管D1,外接電容C1和電感L1,作為分壓電阻的R1和R2,保護(hù)電容RL,以及由誤差放大電路、采樣電路、脈寬調(diào)制電路(PWM)和驅(qū)動(dòng)電路組合起來的反饋電路[2]。

通常在使用MOS管M1和單向二極管D1的情況時(shí),考慮的是它們是否處于一種理想情況,即理想元器件M1和D1不存在正向?qū)▔航岛完P(guān)斷漏感電流,以及可以在電路運(yùn)行時(shí)迅速開合或者關(guān)斷;在使用電感電容時(shí)也得考慮是否是理想情況,比如當(dāng)它們處于理想情況下,與電容C和電感L串聯(lián)的等效電阻都不存在;還有就是在考慮輸出電壓中存在的紋波電壓,這是影響轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要元素,當(dāng)然,由于輸出紋波電壓相比較于輸出電壓來說很小,所以一般可以考慮它不存在[3]。

2 基于LM3150Buck型DC-DC電源設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)開關(guān)電源的時(shí)候,考慮的問題無非就是幾個(gè)基礎(chǔ)問題:轉(zhuǎn)換效率、價(jià)格以及占地面積等。而在考慮的時(shí)候,就是把上述問題都達(dá)到他們的最佳選擇,然而效率、價(jià)格、體積等相關(guān)的參考要素是電路的開關(guān)頻率以及電路基于MOS管和二極管產(chǎn)生的功率耗損。

在仿真軟件上設(shè)計(jì)了電路,如圖2所示。設(shè)置出如圖的基本參數(shù)。后續(xù)問題就是對(duì)功率的優(yōu)化。

圖2 基于LM3150Buck型DC-DC電路

2.1 變換器的效率問題

考慮壓降,即考慮M1和D1的功耗問題,以及伴隨的變換器效率問題[4]。

MOS管M1和單向二極管D1包括了兩部分的功率損耗,其中一個(gè)損耗是兩者在正常運(yùn)行時(shí),電流流過兩個(gè)器件,所產(chǎn)生的正向壓降,從而制造的正常功耗,即穩(wěn)態(tài)功耗PD;另外一個(gè)就是這兩個(gè)元器件在電路運(yùn)行切換至電路停止工作的小段期間內(nèi),流過電流以及元件電壓所制造的多余損耗,即瞬態(tài)功耗PA。

通常取正向壓降為0.7 V。所以PD=0.7I0。表達(dá)式中I0代表的是Buck變換器的輸入電流[6]。

電壓下降和電流上升可以表示為:

(1)

其中,Udc為MOS管M1所能承受的峰值電壓。設(shè)定Ton=Toff=T1,則一個(gè)周期內(nèi)的PA=E/T。消耗的能量E的表達(dá)式如下:

(2)

由此得到PA的表達(dá)式為:

(3)

綜上所述效率η的表達(dá)式為:

(4)

根據(jù)表達(dá)式可以知道變換器的轉(zhuǎn)換效率與變換器的周期,即T呈正相關(guān),又由于頻率f=1/T,也就是說與開關(guān)的工作頻率f呈負(fù)相關(guān),意味著當(dāng)f增大的時(shí)候,轉(zhuǎn)換效率反而要降低[5]。為此在軟件上進(jìn)行DC-DC電源電路的設(shè)計(jì)。

依據(jù)表1可知,在精巧,價(jià)格以及效率等因素的影響之下,單獨(dú)作用都不是最佳的選擇,所以選擇最折中的方案,即平衡方案。

表1 方案對(duì)照表

2.2 電感與效率的關(guān)系

變換器的輸出電流,與變換器外界電感的電感值息息相關(guān),而輸出電流又和周期頻率有關(guān)。所以電感值是影響效率的。

當(dāng)變換器位于CCM工作模式的時(shí)候,表達(dá)式有:

(5)

(6)

可以得知當(dāng)電感值越大的時(shí)候,開關(guān)頻率越小,導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率越高。故根據(jù)表1的平衡方案的選擇去改變外界電感的大小[5]。如表2:

表2 電感值方案對(duì)照表

2.3 外部電阻Ron與效率的關(guān)系

依據(jù)電源芯片LM3150引腳功能顯示來看,Ron引腳的功能是控制高壓側(cè)開關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間。為保持相對(duì)穩(wěn)定的開關(guān)頻率,電源芯片會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)輸入電壓與導(dǎo)通時(shí)間的關(guān)系。

(7)

(8)

(9)

K為常數(shù),D為占空比。由上述公式可知連接電阻與開關(guān)頻率呈負(fù)相關(guān),當(dāng)外部電阻阻值越大,開關(guān)頻率越小,導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率越高。故根據(jù)表2的SRR1260-120M方案的選擇去改變外接電阻阻值。如表3:

表3 阻值方案對(duì)照表

在電感值選擇12μH,型號(hào)為SRR1260-120M的電感的基礎(chǔ)之上,再去選擇型號(hào)為CRCW080593K1FKEA,阻值為93.1 kΩ的電阻,價(jià)格也達(dá)到了更好的結(jié)果,開關(guān)頻率為308 kHz,達(dá)到了最理想的轉(zhuǎn)換效率95.1%。

3 設(shè)計(jì)仿真演示

就以上方案在軟件上對(duì)該電源電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。

圖3所展現(xiàn)的是變換器轉(zhuǎn)化效率隨電流及輸入電壓Uin的變化曲線,在曲線圖中,可以清楚地看到電壓等級(jí)和轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系呈負(fù)相關(guān)。圖中分別是10 V,12.5 V和15 V三個(gè)輸入電壓條件下轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系曲線。

輸出電壓峰峰值與輸入電壓的關(guān)系如圖4所示,該圖中所要展現(xiàn)的是穩(wěn)定度的關(guān)系,即輸出電壓是否穩(wěn)定。由圖可以看出在輸入電壓為15 V,輸出電流為2 A的時(shí)候,輸出電壓峰峰值為0.025 V,都是很小的數(shù)值,足以體現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定性。

圖4 峰峰值電路圖

由此可以說明,基于LM3150設(shè)計(jì)的Buck型開關(guān)電源電路,能夠?qū)崿F(xiàn)輸出3.3 V的穩(wěn)定電壓,以及2 A的電流,同時(shí)電源的轉(zhuǎn)換效率也成功達(dá)到了95.1%。所以在一定的限制條件之下完成了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

基于對(duì)DC-DC變換器的基本工作原理運(yùn)用,以及其中一個(gè)十分重要的使用參數(shù),即轉(zhuǎn)換效率,仿真設(shè)計(jì)電源電路需要用到的電源芯片LM3150以及WEBENCH設(shè)置開關(guān)電源的每個(gè)元器件數(shù)值,并綜合考慮其價(jià)格、頻率、精巧設(shè)計(jì)等方面的升級(jí)優(yōu)化。最后通過軟件仿真檢驗(yàn)到設(shè)計(jì)出來的電源的穩(wěn)定性很強(qiáng),且轉(zhuǎn)化效率更高。