基于LM5116的Buck电路设计

／青岛大学自动化与电气工程学院 姜启刚 张传伟 夏东伟 ／

基于LM5116的Buck电路设计

／青岛大学自动化与电气工程学院 姜启刚 张传伟 夏东伟 ／

LM5116是美国国家半导体公司推出业界首款6～100V的电流模式控制降压控制器，适用于DC/DC电源供应系统。LM5116芯片采用的电流模式控制技术是一种模拟电流模式的控制技术，其优点是可以减少噪声对脉冲宽度调制电路的干扰，且确保必须以极小占空比操作的高输入电压系统能够稳定控制其占空比。文章主要介绍了芯片的引脚功能，过流监测等功能，并进行参数计算和实验样机调试。

LM5116；降压；电流模式控制

0 引言

LM5116高压开关调节器能实现高效率的高压降压调节器的所有功能，并使用最少的外围器件。该稳压器集成了能提供2A峰值电流的高边和低边MOS管的驱动器电容。LM5116利用仿电流斜坡的电流模式控制[1]，仿峰值电流模式控制提供固定的线性前馈、周期性的电流限制、简单的环路补偿。其工作频率可编程，从50kHz～1MHz故障保护功能包括电流限流、热关断、远程关断能力[2]。当输入电压小于用户设定的阈值时，欠压锁定会使调节器关断，同时使能输入端的使能功能使调节器工作在极低的关断电流。原理图如图1所示。

图1 原理图

1 芯片管脚功能介绍及器件计算选型

1.1 管脚功能介绍

芯片管脚功能如下表所示。

1.2 参数选型计算

本文所设计的电路输入电压最低为28VDC，最高为45VDC，输出电压要求稳定在24VDC对控制电路供电。其检测输出电流的方法是通过检测串联在电路中的小电阻的导通压降来进行过流判断[3]。

（1）定时电阻

RT 用于设置振荡器的开关频率， 阻值可以通过以下公式计算：

（2）输出电感

表 芯片管脚功能

电感值根据工作频率、负载电流、纹波电流和输入输出电压确定。已知开关频率（fSW）100kHz，最大输入电压（VIN(MAX)）45VDC和标称输出电压（VOUT）24VDC，纹波电流15A，最大纹波电流（IPP）等于 20%～40%的满负载电流，本文中为了更小的电感，选择 40%的纹波电流。电感值可按如下计算：

（3）电容

斜坡电容的值（CRAMP）在仿真斜坡电路时是必须的。输出电感 L的值单位是 H，gm是斜坡发生器的跨导（5μA/ V），A是电流感应运放的增益（10V/V），电流感应电阻RS为5mΩ。

（4）软启动电容

SS 引脚上的电容（CSS）决定软启动的时间，指参考电平和输出电平达到最终调节值的时间。CSS的值由以下公式决定：

（5）输出电容

输出电容可以平整电感纹波电流，提供一个给暂态负载充电的源。在此设计实例中，选择 4个 220μF 的陶瓷电容。

（6）输入电容

高质量的输入电容在抑制 VIN在打开期间提供开关电流时的电压纹波方面是必须的。当降压开关打开时，开关电流进入电感电流波形的谷值。这个输入电容应该选择RMS电流等级以及最小的纹波电压。一个好的符合纹波电流等级要求的近似值是 IRMS＞IOUT／2。低 ESR 的高质量陶瓷电容被选择用于输入滤波器。考虑到电容公差和电压等级，在此设计实例中，选择 7个2.2μF 的陶瓷电容。

（7）VCC 电容

VCC 电容（CVCC）的主要目的是为了给 LO 驱动器和自举二极管提供瞬间电流峰值，也给 VCC 调节器提供稳定工作条件，电流峰值可达几个安培。CVCC的推荐值应该不小于0.47μF，同时又有高品质、低 ESR的陶瓷电容。位置要靠近IC 引脚以尽量减少引线电感造成的潜在破坏性电压瞬变。在本设计中选择 2.2μF。

（8）自举电容

自举电容（CHB）在 HB 和 SW 引脚之间，在每个循环打开期间提供门极电流给高边MOS 管栅极充电，也给自举二极管提供恢复电荷。这些电流峰值可达到几个安培。推荐自举电容值至少达到 0.1μF，同时有好的品质、低ESR，陶瓷电容，位置要靠近 IC引脚以尽量减少引线电感造成的潜在的破坏性电压瞬变。在本设计中选择2.2μF。

（9）MOS管的选择

功率 MOS 管的选择也是由开关频率来考虑的。高边和低边 MOS 管的关闭损耗是决定不同器件的相对效率一个方式。功率 MOS 管的损耗包括传导损耗、栅极充电损耗、开关损耗。传导或者 I2R 损耗 PDC，由下式近似得出：

其中 D 是占空比，1.3 因子认为是由于加热导致 MOS 管导通阻抗增加的系数。栅极充电损耗，PGC，根据电流驱动功率 MOS 管的栅极电容，近似为：

Qg指一个 MOS管总的栅极电荷，n指的是 MOS 管的个数。如果使用了不同种类的 MOS管。n可以被忽略，他们的栅极电荷累积成一个总的 Qg。栅极充电损耗跟存在于 LM5116的传导损耗和开关损耗不同，也不在 MOS 管的本身。LM5116更多的损耗也存在，如由内部线性调节器提供的栅极驱动电流。在短暂的转换周期如 MOS 管的开和关，开关损耗就会存在。在这个转换周期，电流和电压多出现在 MOS 管的通道上。这个开关损耗可以近似的：

其中 tR和 tF是MOS管的上升和下降时间。开关损耗只能通过高边 MOS 管来计算。低边MOS 管的开关损耗可以忽略，因为低边 MOS 管的寄生二极管在 MOS 管本身之前打开。使漏极到源极的电压在开关导通时降到最小。在本例中，MOS管的最好选择是IPB025N08。在正常工作时需要维持降压比率较高的应用中，效率可以通过选择低Qg的高边MOS管和低的RDS（ON）低边MOS管来优化。

对于逻辑电平不是真的高压MOS管，使用UVLO功能非常重要。选择一个对完全增强MOS管栅极足够高的VCC和自举（HB）供电的最小工作电压。这可以防止在会导致MOS失效的接通或关闭电源时工作在线性区域。当输出电压供应给VCCX时，也需要作出类似的考虑。

（10）MOS缓冲器

低边 MOS 管的电阻电容组成的缓冲网络可以减少开关节点上的振铃和尖峰。过度的振铃和尖峰会引起不稳定工作，并在输出端耦合尖峰和噪声。缓冲网络的值最好通过经验模型获得。首先，要使缓冲节点的引线长度最短。电阻值在 5Ω和 50Ω之间。增加缓冲电容的值可以增加阻尼，但会引入更高的损耗。选择一个在最大负载下能够给开关波形尖峰提供适当阻尼的最小缓冲电容。

2 实验验证

图2～4为LM516的Buck电路测试波形，从图中可看驱动波形基本稳定，电流纹波较小，满足了设计要求。

图2 电流纹波

图3 输出波形

图4 驱动波形

3 结束语

本文基于LM5116的控制芯片，进行了Buck电路的设计，首先对芯片的外围参数进行了理论计算，根据计算进行器件选型，然后绘制电路板并进行上电老化测试，测试结果表明设计过程参数选择基本合理，完成了设计要求。

[1] 赵涛,刘汉忠,张永号,等.电流模式控制正激变换器的建模及设计[J].电力电子技术,2013,47(8):4-6.

[2] 俞利明,陈宇,曾逢春等.基于LM5116的工业级电源模块设计[J].工业控制计算机,2012,25(12):13-14,16.

[3] Mohammad H. Moradi,Younes Mohammadi.A new current-based method for voltagesag source location using directional overcurrent relay information[J]. European transactions on electrical power,2013,23(2):270-281.