高精密、高性价比双路稳压电源的研制

宋志杰+商振翔+毛君龙

【摘 要】采用同步降压控制器LM5119芯片和贴片式低损耗MOS场效应管及正激拓扑设计而成的输出低电压、大电流DC/DC降压型直流双路稳压开关电源。由滤波电路、同步控制电路、DC/DC Buck电路组成，滤波电路采用并联电容的方式降低纹波电压。经测试，本电源的效率大于92%，纹波系数0.063%-0.238%，负载效应0.0889%，源效应0.0056%-0.011%。各项性能指标均优于市售产品水平。

【关键词】同步降压；降压控制器；场效应管

【Abstract】A low voltage， high current Buck DC/ DC switching power supply with a synchronous buck controller LM5119 core and a low loss MOSFET and a forward topology is designed. It is composed of a filter circuit， a synchronous control circuit and a DC/DC Buck circuit. The filter circuit uses the parallel capacitor to reduce the ripple voltage. After testing， the efficiency of the power supply is greater than 92%， the ripple factor 0.063%-0.238%， the load effect of 0.0889%， the source effect 0.0056%-0.011%. The performance indicators are better than the marketed product level.

【Key words】Synchronous Buck； Buck Controller； FET

0 引言

随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用，人们对其需求量日益增长，并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨重的线性电源。随着电力电子技术的发展，特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展，将开关电源的工作频率提高到相当高的水平，使其具有高稳定性和高性价比等特性。开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务。信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求，从而不断促进了开关电源技术的发展。

1 研究目的

现在，市场上的高精密开关电源普遍价格较高，一般均在数百及千元以上，而且性能指标并不算很高，且性能指标更高的价格昂贵。我们希望可以设计出一款成本较低、各方面性能可以和市场性能较高的产品相媲美的一款稳压电源，以借此机会来锻炼一下自己的动手能力，将自己所学到的知识运用到生产实践中。

2 方案论证

2.1 PWM控制方案

方案一：采用单片机产生PWM

单片机编程产生的方波信号，易于调节、纹波小、抗干扰能力强。但在完成相应要求的同时，因51单片机资源有限，在控制中需要用到PWM调制和A/D采样，用51单片机产生高频的PWM比较困难，而且会造成程序不稳定，况且A/D转换还需要外部器件，成本也较高。

方案二：采用TL494产生PWM

TL494是一个固定频率的脉冲宽度调节电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节。但电路较复杂，搭建困难。

方案三：采用LM5119內部电路产生PWM

LM5119 是一款双同步降压控制器，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。LM5119 的工作频率可以在 50 kHz 至 750 kHz 范围内设定。LM5119 可利用自适应死区时间控制来驱动外部高边和低边 NMOS 功率开关管。用户可选的二极管仿真模式可实现非连续模式操作，提高轻负载条件下的效率。具有自动切换外部偏压功能的高电压偏置稳压器可进一步提高效率。其他功能包括热关断、频率同步、打嗝 （hiccup） 模式电流限制和可调输入欠压锁定。该器件采用有裸露芯片连接焊盘的功率增强型无引线 LLP-32 封装，以帮助散热[1]。

采用LM5119内部电路产生PWM的优点是电路稳定性强，定时电阻Rt和AGND引脚之间连接的外部电阻可设定LM5119的开关频率，Rt可同步内部振荡器至外部时钟，使振荡器产生相应的PWM波。

通过比较上述三种方案及结合设计要求，可以看出方案三明显优于其他方案，所以采用方案三进行设计制作。

2.2 主回路拓扑方案

DC/DC主回路拓扑采用半桥Buck电路，通过LM5119的HO和LO端输出的PWM控制2个MOS管实现交替导通，通过电感Lo和电容Chb的充放电实现降压。减小了原边开关管的电压压力，电路结构简单，可适用较高频率电路。

3 产品（作品）设计与制作

3.1 输入输出电压设定

输入电压范围设定为12-20V，中心工作电压16V。输出设计为两路：一路输出9V、5A；另一路输出5V、9A。通过对芯片使能端的设置，可以实现任一路输出，也可以同时输出，并且两路可以各自独立工作，互不干扰。

3.2 滤波电容选用

（1）输入电容Cin：经过不断实验尝试，我们选择了6个2.2uF的陶瓷电容并联，实现梯级滤波。

（2） VIN滤波器Cvin：考虑到需防止注入到VIN引脚的高频开关噪声引起电源故障，我们选用了0.47uF的陶瓷电容。

（3） UVLO分压器Cft：考虑到为分压器提供滤波，我们选用100pF的陶瓷电容。

（4） VCC电容Cvcc：考虑到需要为HO驱动器和自举二极管提供峰值瞬态电流，并为VCC稳压器提供稳定性，我们采用了0.47uF的电解电容。

（5）输出电容Co：考虑到输出电容器需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充电电源，我们选用了两个220uF的电解电容作为主输出电容，并加入两个22uF电容，进一步降低输出电压纹波和尖峰。

3.3 开关管选用

开关管一般采用IGBT或MOSFET，IGBT的优点是耐压高，但导通内阻大，损耗大；MOSFET优点是导通内阻极小，但耐压不高，但考虑到输入输出电压均不高，且要求损耗小、体积小，所以选用贴片式低损耗MOSFET[2]。

3.4 输出电感制作

进口贴片电感价格太高、采购耗时长，而且参数不可改变，所以我们采用自制电感，可以很方便通过改变电感线圈匝数而改变电感参数。

3.5 电路原理图设计

根据设计方案和芯片使用说明，我们自主设计了工作原图，由于在制作期间，需要多次调整参数，所以画的原理图未标出参数的具体数值，以便随时调整元件参数。原理图是使用ALTIUM DESIGNER软件设计的。原理图见图1。

3.6 PCB设计

为了使控制芯片外围元件布局紧凑且达到良好效果，PCB板采用四层设计，让电源和接地各占一层，并进行分区，避免信号地和模拟地之间的串扰。由于电源线、接地线不再占用顶层和底层板面资源，所以可以将元器件布置得更紧凑，芯片工作状态更好，可以获得极佳效果，PCB板图见图2

3.7 产品制作

根据设计要求，我们通过反复论证确定了元件参数、型号和数量，并选购所需材料。然后精心制作，虽然绝大部分元器件采用贴片封装，但我们都采取了手工焊接，实践证明效果很不错，作品实物图见图3。

4 总结

4.1 本产品（作品）的性能

本产品制作成本约为100元左右，而市场精密电源售价一般在数百甚或千元以上，我们的产品成本远远低于市场同类产品的价格，与我们同等价格的产品测出的性能指标比我们的产品性能指标相差一个数量级。纹波测试见图4

从表1可以看出，我们产品的成本低、效率高，性能要远远高于市场水平，具有较大的发展前景。

4.2 本产品（作品）的创新点

（1）采用四层PCB板设计、元器件布局紧凑合理，电源工作状态良好。

（2）自制电感线圈，替代了进口产品，不仅使电源综合成本降低20%以上，而且電感参数可以自行调整。

（3）本产品制造成本低，而性能指标高（见表1），主要指标均高于市售产品水平。

（4）极高的效率，对于满载输出45-90W的电源（单路输出45W，双路输出90W）达到92.3%的效率，已差不多到了极限。

（5）采用节能设计，轻载时可以启用二极管仿真模式，可以实现高效输出；重载时，禁用二极管仿真模式，增强带负载能力。

【参考文献】

[1]TI官网提供的LM5119数据手册.

[2]TI官网提供的CSD18532数据手册.

[责任编辑：朱丽娜]