板载电源的设计与研制.docx

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板载电源的设计与研制

板载电源的设计与研制

摘要

科技的进步与经济水平的提高使人们的生活水准也往上提升。

而在人们的生活中，电子设备在方便人们生活的同时，人们对它的要求也日益提高。

电源在电子设备中起着至关重要的作用，在电路设计中，电源如水源，电路如道路，电源技术在不断发展与进步，效率高、体积小的板载电源逐渐成为必然的发展趋势。

本文设计一款降压型DC/DC变换器的板载电源，采用同步整流技术降低损耗，提高转换效率，并通过SIMetrix软件仿真验证了设计的正确性。

主要成果如下：

首先对直流降压变换器进行分析。

对Buck降压电路的拓扑结构和工作原理作出详细的分析，并分析同步整流技术在Buck电路中的应用。

分析脉宽调制方试（PWM）与脉冲频率调制（PFM）两种调制方式，比较出各自的优缺点与适用场合，分析何种调制方式是本设计中最佳选择。

对闭环电压控制模式进行详细的说明，总结电压控制模式的优缺点，分析其在电路中的使用。

然后介绍同步降压控制电源集成芯片LM5117的引脚功能和它在电路中的使用，详细说明电路工作原理。

根据性能指标要求设计主电路参数和控制电路参数，分析降低纹波的方法。

最后运用SIMetrix软件对其进行仿真分析，验证理论分析与参数设计的正确性。

关键词：

Buck电路，同步整流，PWM调制，高效

第1章绪论

1.1选题背景

上世纪八十年代以来，便携式电子设备横空出世，使人们的生活习惯、工作方式和娱乐活动发生了巨大的变化。

而随着生活节奏的日益加快，人们对便携式电子设备，例如手机、笔记本电脑、数码相机等等提出了更高的要求。

科技的发展改变了人们的生活，人们所使用电子设备需要更加快捷，而其转换效率和质量则需要配合提高，显然，传统的小功率开关电压源无法满足人们的需要，因为它具有不少缺点，例如集成度低，稳定性差。

因此，体积小、效率高、低功耗的电子设备逐渐受到市场的热切关注以及越来越多的科研工作者的重视。

高集成度、高通用性、高效率的板载电源逐渐成为必然的发展趋势。

板载电源能够实现电能和信息的集成，使装置体积减小、可靠性提高，节省制造、安装和维护的成本，用户使用更为方便。

本文设计了一款降压型DC/DC变换器的板载电源，主电路采用的是LM5117芯片，能够实现电压的平稳转换，以适应不同电子设备对电源的需要。

同时采用同步整流技术，降低开关损耗，提高变换器转换效率。

本次设计能够在一定程度上满足社会的进步和技术的发展对电源的小型化、高效化、绿色化的要求，因此，具有一定的研究意义。

1.2研究现状

在社会的发展下，人们对于体积小、效率高、质量好的电子设备需求广泛，因此需要与之相配置的板载电源。

而在21世纪能源短缺的时代背景下，不仅要求提高电源性能，还应提升系统转换效率，而提升转换效率的核心就在于降低转换损耗。

为提高DC/DC转换器的转换效率，目前市面上出现了许多能够减少损耗，提高效率的新技术，其中在开关电源中采用同步整流技术是比较常见的一种方式，这主要基于同步整流技术是采用MOS管取代二极管，能够改善原先采用二极管时的导通压降，减少了导通损耗。

不同的电子设备需要不同的电源电压，而电源电压在实际运用中通常是固定的，所以需要采用不同的电压转换器进行转换电压以使电子设备能够有效使用。

同步Buck变换器控制电路可采用分立元件和集成控制芯片搭建两种方式来实现。

在国内，电源管理IC技术的研发和设计水平在不断提高，能够根据客户要求和市场变化推出更多、更高性能的电源管理芯片。

目前国内在四川已有一条关于板载电源制造的生产线，具体为PCB板载电源浪涌保护器的生产，在生产中，从以往的全人工安装转为自动化生产，并且在这一条线生产时，加入信息感知采集技术，便于工作人员在任何时候都能够获取不同工位的信息和状态，大大减少人力资源，节约人工生产费用，且效率提高至200%，有效地实现了产量翻倍，其产品合格率高达99.997%。

南京电子技术研究所为使制作出的电源能够更好的测试它的性

能，以及在改变线路时方便研究人员观察检测，在板载电路中加入了边界扫描电路，使研究人员的工作效率提高。

国外拥有许多开发电源管理的厂商，例如TI、IR、ST、MAXIM等，他们的产品功能齐全，能够实现高质量的电源管理，且芯片也拥有多种多样的带负载能力[1]。

例如TI公司研发的板载仿真器MSP430F5529，可与单片机等多种技术相开发结合使用。

LM5117是由TI公司生产的一款具有高集成度、高稳定性、抗干扰能力强的综合性同步降压控制器，可以实现峰值电流控制，简化电路结构，减小电源体积和重量，能够作为低压大功率直流稳压电源的核心控制器件，在汽车电子领域、通信领域等得到广泛应用[2]。

1.3研究的目的及意义

基于电感储能DC/DC转换器拥有较好的性能，较高的效率，在电子设备中得到广泛地运用。

但目前DC/DC转换器还存在着一些技术上的突破点：

其一，应如何提高DC/DC转换器的效率，这是设计板载电源中最根本的问题；其二，如何平衡效率与尺寸的问题，当工作频率提高时，能够减小电感值，进而较少PCB面积，减少板载电源制作的尺寸和重量，但若工作频率太高，将导致DC/DC转换器的转换效率降低，所以需要这种考虑工作频率与板载电源尺寸大小之间的关系，Yahaya，N.Z等人就介绍了开关频率对DC-DC转换器的影响[3]。

其三，如何使开关电源DC/DC转换器的功率损耗最小。

为使DC/DC转换器达到较高的效率，应尽可能使导通损耗和开关损耗达到最小[4]。

转换效率与节能已成为科研人员和工业产业研究的重点，所以对高效DC/DC转换器的研究具有一定的意义。

基于以上几点，本文设计了一款降压型DC/DC变换器的板载电源，同时采用同步整流技术降低开关电源损耗，主控制电路则采用由TI公司生产的综合性同步降压控制芯片LM5117。

在未来，板载电源将不断朝着高集成度、高通用性的方向不断发展，与电子设备不断融合发展，给予人们良好的使用体验和更加方便快捷的生活。

1.4本论文主要内容和组织结构

本论文的主要工作是根据要求完成板载电源的设计，该板载电源是以Buck电路实现DC/DC变换，搭配通态电阻低的MOS管为功率开关管实现同步整流，主控制电路则采用由TI公司生产的综合性同步降压控制芯片LM5117。

本论文分为6章：

第1章：

这一部分为绪论部分，从板载电源对人们生活的影响入手，简要描述了板载电源发展的历史进程，列举出当今板载电源主要存在的问题。

并介绍章节内容安排。

第2章：

首先阐述DC/DC变换器的控制方法和调制模式；分析了Buck电路的工作原理和功率损耗源。

然后介绍同步整流技术的原理和应用。

第3章：

给出本课题设计的性能指标，介绍方案的选择；详细介绍同步降压控制芯片LM5117的引脚功能及其工作原理。

系统电路参数设计.

第4章：

完成系统仿真工作。

总结：

总结归纳本文所做的工作，反思在工作过程中出现的问题和不足。

第2章降压DC/DC变换器

2.1DC/DC变换器的概述及其选取

DC/DC转换器简单来讲就是把输入的直流电压值转变为人们所需要的直流电压输出值，基本是由半导体器件和储能元件构成，其通过摆放位置的不通分为Buck电路和Boost电路等。

在DC/DC转换器中储能元件中电感L的作用是在开关管导通时将输入的能量储存起来，在开关管关断时通过另一支路释放能量；电容C的作用是在电感元件释放能量时，经过电容滤波后再传送到负载端，这样能使输出的电压较为稳定，不致使损耗过大。

开关电源中的DC/DC根据输入端与输出端是否具有电气隔离现象分为两大类：

第一类是非隔离式DC/DC变换器；第二类是隔离式DC/DC变换器；现在常见的输入输出非隔离式DC/DC电路主要有Buck（降压型）、Boost（升压型）、Buck-Boost电路、Cuk电路、Sepic电路以及Zeta电路等等，Buck电路和Boost电路是最基本的DC/DC变换电路[5]。

直流斩波电路由功率开关管、整流二极管、电感元件和电容元件组成，工作原理为功率开关管闭合时，整流二极管的阴极电位高，呈不导通状态，直流电压源通过功率开关管向电感、电容元件和负载元件输送能量；而当开关管关断，电感相当于一个小电源，原先在电感中储存的能量通过二极管释放电能，通过电容滤波之后向负载继续供电，负载上的输出电压低于电源输入电压。

功率开关管周期性地导通与关闭，使输入电源间歇性地对负载供电。

本文选取Buck降压型电路，研究设计一款以降压型DC/DC变换器的板载电源。

2.2降压型DC/DC变换器结构及工作原理

Buck变换器也称为降压变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。

图2-2Buck型电路拓扑图

如图2.2所示，Q1为功率开关管，Uin为直流电压源，D为整流二极管，电感元件L和电容元件C组成低通滤波器，外接负载电阻R。

Q1开关管的驱动电压一般为PWM信号，信号周期为Ts，则信号频率为f=1/Ts，导通时间为ton，关断时间为toff，则Ts=ton+toff，占空比D=ton/Ts。

（a）开关管导通，二极管关断时的电路等效图

电路采用PWM驱动控制开关管Q1的导通和关断，当控制电路输出为高电平，此时开关管承受正向电压导通，如图2.2（a）所示，若此时不计损耗把导通的开关管当作闭合的线路，则输入电压与续流二极管呈并联关系，续流二极管的阴极电压为正，阳极电压为负，因此反向截止，相当于开路，电流为0。

直流电压电源由闭合的开关管、电感向负载供电，电感因储能元件的特点将电能转化为磁能储存起来，经过ton（导通时间）后，控制电路脉冲变为低电平，开关管关断。

（b）开关管关断，二极管导通时的电路等效图

如图2.2（b）所示，开关管关断后，直流电源无法向电路提供能量，但由于电感元件的储能特性，产生右端正左端负的自感电势使整流二极管D正向导通，电感中的磁能转变为电能给负载供电，电容C过滤纹波，稳定输出电压。

经过Toff（关断时间）后，PWM控制电路又使开关管导通，直流电源继续向电路提供能量。

为方便稳态分析，假设开关管、整流二极管电感与电容都为理想元件。

一、Buck电路的CCM工作模式

当Buck工作在CCM模式时，波形如图2.3。

在Buck工作在负载较小，储能元件电感L较大的情况下，电感中电流不会降为0，即使在功率管闭合时，电感线圈中仍然有电流存在。

图2-3CCM工作模式波形图

导通时间为ton，关断时间为toff，则Ts=ton+toff，占空比D=ton/Ts。

则：

（2-1）

（）

二、Buck电路的DCM工作模式

在电感较小且负载较大时，电感中无法储存太多的能量，而负载消耗的电能又比较多，电感电流会放电到0，电感上的自感电势消失，二极管自然关断。

这时输出由电容提供，纹波较大。

在开关周期Ts较大时，也会出现二极管自然关断的现象。

2.3同步整流技术的应用

传统Buck型DC/DC变换器采用功率二极管来进行整流，但是，即使是肖特基二极管，其正向压降约为0.4V至0.6V，在电流较大时功耗会很大，在输出电压低于3V的开关电源中，这部分损耗占比重大[8]。

整流二极管死区时间长，较难集成，不符合现今社会人们对损耗低、体积小的要求，因此在本文中采用同步整流技术。

同步整流技术是采用MOS管代替传统的二极管，正向电压小，导通方便，阻断电压高，能够解决二极管带来的损耗高，难集成的问题，节约电源制作成本，提高企业效益。

如图2.4所示。

传统的功率二极管只能单向导通，而MOS管由于结构特性能够双向导通，因此在部分情况下会出现开关管与二极管同时导通的情况，此时原先应供给负载的电能因存在低阻导通通路损失能量。

在两个开关管变换导通之间可加入一段死区时间，使两开关管均不导通，死区时间应适中，若死区时间过大，寄生二极管D1与D2均会导通，引起较大的功率损耗，死区时间过短，SW节点处放电未完成，则会通过整流管和开关管来充放电，也将引起较大损耗[7]。

图2-4SR-Buck型转换器拓扑图

功率MOS管自身漏源极反并联有体二极管，所以，它与常规的功率开关管的用法相反。

同步整流时电流从源极流向漏极，当控制信号栅源极极电压大于开启电压时，功率MOS管导通，漏源极之间的通态电阻很低，电流可以从源极流向漏极，而当控制信号栅源极电压小于开启电压时，功率MOS管关断，导通沟道不存在，原来流过电流的区域几乎没有电流流过。

但由于体二极管的存在，电流可以通过体二极管由源极流向漏极[9]。

本文中场效应管选择采用IRFZ24N。

2.4控制电路基本原理

常见的控制方式

如果按照占空比调制方式进行选择，降压变换器通常分为：

脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，PWM）方式、脉冲频率调制（PulseFrequencyModulation，PFM）方式和混合调制（PWM/PFM）方式三种[7]。

一、脉冲宽度调制（PWM）

PWM调制方式是通过改变开关管的导通时间来调节占空比的变化，占空比是指开关频率一定时，导通时间与周期时间的比值，调节占空比的变化可用来稳定输出电压[7]。

PWM调制方式在重载和轻载下的导通损耗不同，在重载时，虽然对比轻载时的导通损耗较大，但重载时的总输出功率大，损耗占比小。

负载减轻时，导通损耗虽然有所减小，但总输出功率减小，损耗占比增加。

脉冲宽度调制在轻负载下长时间工作时，会损坏电源性能，较少电源使用寿命。

所以，PWM调制常用在重载的情况。

Began，K.M等人提出使用固定脉冲宽度调制（PWM）技术分析负载对同步整流Buck转换器性能的影响，主要分析了负载变化对同步整流Buck电路的开关损耗、传导损耗和体二极管传导损耗的影响，共有三种负载条件：

临界负载、轻负载和重负载[6]。

PWM调制电路为单一闭环反馈控制电路，电路结构比较简单，是科研工作者较早采用的控制方式，对输出电压的变化能够较好的调节，使它保持在一定的范围内。

在重载下的转换效率较高，，抗干扰能力也比较好。

其缺点是受制于主开关的最小导通时间，对调节范围有一定限制。

而在空载时输出电压会升高，应采取其他方式解决这个问题。

二、脉冲频率调制（PFM）

脉冲频率调制是在保持导通时间不变的前提下，通过改变频率调节占空比大小，从而产生控制输出电压的效果。

脉冲频率调制可通过降低系统的工作频率，大大减少开关损耗，提高转换效率。

PFM调制优点是输出负载可调范围较大，缺点是抗干扰能力较差，电流传感电路不容易实现片内集成等等。

闭环电压控制模式

目前在开关电源设计中，常用的环路控制模式主要有两种，分别称为电压控制模式和峰值电流控制模式。

电压控制模式是对每个输出电压进行采样，将采样得到的信号作为反馈信号传送至反馈电路进行输出电压的调节，以保持稳定电压的输出。

图2-5电压控制模式原理图

电压控制模式基本结构如图2-5所示。

它是一个单环的控制系统，由控制电路由R1和R2构成反馈分压网络、锯齿波发生器、误差放大器、比较器和驱动电路构成。

工作原理为：

当输出电压Vout波动时，检测电路检测到此时的波动信号，并与反馈电路上设计好的基准电压Vref进行对比，波动电压信号与基准电压产生差值从而产生误差信号，误差信号通过网络补偿放大后与频率一定的三角波信号分别输入PWM比较器，通过比较器做比较后得到一个驱动信号用来控制开关管的开通和关断，从而产生一个稳定的电压[7]。

电压控制模式具有以下优点：

只需一路电压反馈电路，设计与分析比较容易实现；占空比大小可根据需求调节；锯齿波振幅较大，抗干扰能力强；电压反馈模式由于采样电流电路的精度和速度要求不是很高，可应用于高频率系统中。

电压控制模式具有以下缺点：

动态响应速度较慢，任何输入电压的变化首先要先转化为输出电压的变化，然后经过反馈电路反馈控制调节；补偿电路复杂。

2.5本章小结

本章首先介绍了DC/DC变换器的基本定义和分类，进而介绍了Buck型DC/DC变换器的工作原理以及同步整流技术在Buck电路中的应用。

详细分析比较PWM和PFM搁在的性能优缺点以及各自适合何种工作条件。

详细介绍电压控制模式。

最终选取PWM电压控制模式作为控制方式。

第3章硬件电路设计

3.1系统性能指标要求

设计一个降压型直流开关稳压电源在：

额定输入电压为12VDC时下，输出功率为10W，输出电压为3.3V±100mV。

技术指标：

（1）在额定输入电压下，满载运行时变换器效率η≥85%；

（2）在额定输入电压时，切载时负载从满载到空载时的输出电压纹波∆U0≤200mV，瞬态动作时间不大于3ms。

3.2方案选择

本论文设计为PWM控制电路采用TI公司的LM5117同步降压集成控制芯片，采用IRFZ24N场效应管，再配以少量元器件组成电路，具有控制电路所需要的必要功能。

简化了电路设计，提高了系统可靠性。

图3-1电路原理图

采用LM5117降压集成控制芯片设计的开关电源原理图如图3.1所示。

Buck电路由NMOS管Q1、Q2，电感L1，电容C7、EC1、EC2构成。

由前文同步整流技术应用章节所述，Q2替代了传统Buck电路中的整流二极管。

电容EC1与EC2与电感L1构成滤波通路降低高频干扰。

在芯片中，18引脚HO驱动高边NMOS管，15引脚LO驱动低边NMOS管。

高边驱动器是由外部二极管（选用LN5819）和自举电容C5配合工作驱动的。

输出电压时由VR1和R5分压之后得到电压采样信号加到8号引脚FB上，芯片内部0.8V基准电压与加到FB上的电压采样信号形成误差放大信号。

由于误差放大器增益很高，所以稳定时FB上的电压也为0.8V。

8引脚FB上的输入阻抗很大，所以可由VR1和R5的阻值按照比例关系确定输出电压值，电压在R5上的分压为0.8V。

芯片9引脚COMP为误差放大器输出端，在COMP和FB之间接入C4、C3和R2，可构成环路补偿电路，达到改善反馈电路性能的目的。

12引脚CS和13引脚CSG分别连接至电流检测电阻R6的高边和低边。

17引脚SW、PWM斜坡信号由11引脚RAMP与6引脚AGND之间连接的外部电阻R3构成。

20引脚VIN供电电源输入端子，EC3滤除输入干扰信号。

直流输入电源经过R7与R8两个电阻分后接至芯片1引脚UVLO，UVLO为欠压锁定编程引脚，输入电压不同可切换多种模式。

5引脚RT与6引脚之间连接电阻R1，可用于设定振荡器的工作频率。

最大振荡频率可达750KHz。

此振荡器频率也为电源开关频率。

本设计振荡频率为100KHz。

芯片7引脚VCCDS禁止内部VCC稳压器的可选输入。

当VCCDS外接一个偏置电源的电阻分压器将电压上拉置1.25V时，可重新设置500kΩ内部下拉电阻。

NMOS管选用型号为IRFZ24N场效应管，在栅源控制电压为10V时漏源间通态电阻有0.07Ω。

3.3主电路设计

工作条件：

输出电压VOUT=3.3V；满载电流IOUT=3.3A；最小输入电压VIN（MIN）=12V；最大输入电压VIN（MAX）=14V；开关频率fSW=100KHz。

（1）输出电感LO与输出电容C

电流纹波比r时开关电源的重要参数之一，本次设计中将r设计为0.4。

（3-1）

输出电感设计是为减少输出的纹波电流，最大纹波电流出现在最大输入电压时。

电感值计算如下：

（3-2）

根据实际值选择输出电感L为20μH，计算如下：

（3-3）

输出电容器与输出电感可构成LC滤波器，降低输出电压纹波和尖峰。

选择两个电解电容分别为220uF和100uF作为主输出电容。

（2）功率开关管

功率开关管中的损耗可分为导通损耗、栅极充电损耗和开关损耗[13]。

栅极损耗实际耗散出现在控制器IC里。

在转换期间里，开关损耗只出现在高边NMOS管中，低边NMOS管的开关损耗极微小，可忽略不计。

开关损耗可近似表示为：

（3-4）

其中，tR是NMOS管上升时间，tF是下降时间。

tR=21ns，tF=20ns，启动电压为10V。

NMOS管选择IRFZ24N，其漏源电压55V，漏电流17A，漏源导通时状态电阻仅为70mΩ，晶体管封装为TO-220A。

综合比较IRFZ24N工作耐压值符合要求，转换效率较高。

3.4控制电路设计

LM5117简介

LM5117是由TI公司推出的一款同步降压电源集成控制芯片，适用于高电压或各种输入电源的降压型稳压器应用，其控制方法基于仿真电流斜坡的电流控制模式，仿真电流控制模式降低了PWM对噪声的敏感度，对实现高输入电压应用所必须的极小占空比的可靠控制有一定帮助，并且简化了环路补偿[10]。

芯片外围电路参数设计

（1）定时电阻RT

定时电阻决定电源的开关频率，较高的工作频率可减小板载电源的体积，但同时又会产生较大的损耗，所以应选择合适的开关频率以达到小体积和高效率的统一[11]。

选定100kHz作为开关频率，定时电阻计算如下：

（3-5）

（2）电流检测电阻RS

电流检测电阻主要用来检测电流的输出。

根据K系数的不通转换器性能会有所差异，选择K=1、考虑到误差和纹波电流，最大输出电流能力应高于所需输出电流能力的20%至50%，则选择3A的130%[12]。

计算公式如下：

（3-6）

（3）斜坡电阻RRAMP和斜坡电容CRAMP

斜坡电容CRAMP设置为820pF，则RRAMP计算如下：

（3-7）

其中，K=1，AS=10。

（4）UVLO分压器RUVL和RUVH

LM5117芯片工作所需启动电压和延时分别由RUVL和RUVH设定。

启动电压设置为10V，VHYS设置为2V。

RUVH和RUVL的值计算如下：

（3-8）

（3-9）

（5）自举电容和自举二极管

在每个周期的开启期间里，HB与SW之间的自举电容C5提供栅极电流，对高边NMOS管栅极充电，并且为自举二极管提供恢复电荷[11]。

自举二极管选择LN5819。

自举电容选择100nF。

（6）输出分压器RFBL和RFBH

RFBL和RFBH可用来输出电压电平。

取RFBL为5KΩ，则RFBH值计算如下：

（3-10）

3.5本章小结

本章根据指标要求简述设定基本方案。

详细介绍了LM5117芯片的工作原理和进行主电路参数的设计，选取合适的功率开关管，电感元件和电容元件。

接着进行芯片外围电路参数设计。

第4章仿真调试波形与分析

4.1电路仿真设计图

图5-1同步整流Buck电路仿真设计图

如图5-1所示，是同步整流Buck电路仿真原理图。

图中，输入电压V1设置为12VDC，负载电阻R2为30Ω，由开关管Q1、Q2、电感L1和电容C1构成同步整流Buck电路的核心结构。

U2为运算放大器，它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器，当比较器将PWM信号输入它时，保持波形不变的前提下，将信号放大送入主开关管Q1。

U1为比较器，它是由误差放大器将信号送入反向输入端并与同相输入端的信号做比较，当同相输入端值大于反向输入端时，输出高电平。

X2为误差放大器，基准电压设置为2.5V，输出电压VO经过R3和R4分压后与基准电压2.5V进行做差比较，将比较后的信号送入U1比较器，若反向输入端电压升高，经过取反后相当于占空比变大，若反向输入电压降低，则占空比变小。

R6、C4与C3构成补偿回路。

4.2开关管耐压波形

如图4-2所示，仿真中可以看出UDS电压开关管上管Q1波形，可以得出占空比为30.69%，基本符合设计要求。

图4-2功率开关管耐压波形

4.3输出电压稳压波形

如图4-3所示，其中可以看出，输出电压Vo为3.3V左右，符合设计要求。

图4-3输出电压稳压波形

4.4不同负载情况下的输出电压波形

图4-4为满载时输出电压波形，图4-5为半载时输出电压波形，图4-6为空载时输出电压波形。

图4-4满载时输出电压波形

图4-5半载时输出电压波形

图4-6空载时输出电压波形

比较