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摘要：Buck型開關穩壓電源在現代電子設備中應用廣泛，通過研究Buck型變換器的工作原理，介紹了采用LM3150為電源芯片的Buck型開關電源的設計。借助于WEBENCH電源設計工具選擇合適的外圍元件，實現效率、成本、面積和開關頻率的優化。通過仿真表明該電源穩定性好，轉換效率高，可以廣泛應用于便攜設備中。 現代電子系統設計都需要一個恒定輸出的供電電源，無論輸入電壓還是負載電流發生變化，只要這些變化在穩壓源的運行范圍內，穩壓源都要保證電路有恒定的連續的電壓輸出。在便攜式系統中，輸入電壓常常來自電池或直流電壓源，而系統所用的芯片越來越多，芯片的功耗也越來越大，系統各芯片對電源的電壓、電流和性能要求也多種多樣。開關電源以PWM技術為主，通過改變脈沖的占空比調節輸出電壓，如何根據電壓和電流情況并考慮性能、功耗和體積等因素在眾多的電源芯片中選型并優化，是電子系統設計中面臨的重要問題。借助于TI最新的WEBENCH電源設計工具可以在TI眾多的電源芯片中挑選出適合項目的芯片并進行外圍電路設計和優化。 1 Buck變換器的工作原理 Buck變換器又稱為降壓變換器，其基本的原理圖如圖1所示。 如圖1所示，Buck變換器主要包括：開關元件MOS管M1，二極管D1，電感L1，電容C1和反饋環路。如圖，當M1導通時，V1與輸出電壓Vdc相等，D1反向截止。電流IM1=IL1流經電感L1，電流線性增加，經電容C1濾波，產生輸出電壓Vo和輸出電流Io。R1和R2對Vo采樣得到Vs，Vs與參考電壓Vref比較得到信號Vea。如圖1(a)所示，Vtr>Vea時，控制信號VG跳變為低電平，MOS管M1截止。此時，電感L1兩端的電壓極性反向，二極管D1承受正向偏壓，并有電流ID1流過。若IL1 2 BUCk變換器設計 2.1 LM3150功能介紹 LM3150是一款簡單易用，且可提供最高達12 A輸出電流的簡易降壓電源控制器，采用eTSSOP-14封裝。LM3150的工作輸入電壓范圍為6～42 V，輸出電壓可按需要而調整，最低可達0.6 V，開關頻率可調節至1MHz。LM3150控制器采用固定導通時間(COT)結構，具有特快的瞬態響應，無需外置環路補償，有助于減少外置元件數和降低設計復雜性;可使用低等效串聯電阻(ESR)輸出電容器，從而降低了整體設計方案尺寸和輸出電壓紋波。LM3150內部結構如圖3所示。 2.2 LM3150電路優化設計 WEBENCH Design Environments是獨特而強大的軟件工具，能在很短的幾秒內提供定制照明、電源、時鐘、濾波以及傳感設計等。WEBEN CH簡單易用的工具能幫助用戶創建、模擬并優化符合獨特規格的設計。與此同時，這些工具能讓用戶在將設計投入生產之前在設計、系統和供應鏈層面進行基于價值的權衡。 開關電源設計的重要參數是效率、體積和成本，這幾個方面不可能同時到達最優，而跟效率、成本和體積緊密相關的因素主要是：開關頻率，電感，MOS管的開關損耗以及MOS管導通損耗。借助于WEBENCH軟件可以完成芯片外圍電路的優化選擇。 基于LM3150設計的BUCK型開關電源電路如圖4所示。該電路能在輸入直流電壓范圍為10～15 V，輸出3.3 V，負載電流2 A，效率優先并可達到90%以上。 2.2.1 開關頻率和效率的選擇 借助于WEBENCH可以對開關電源電路設計的效率、成本、面積和開關頻率進行優化，如表1所示是WEBENCH對LM3150應用電路在最高效率、最小面積和中間方案的對比結果。 從表中可以看出，效率最高的方案開關頻率最低但占用面積最多，最小面積方案效率最低但開關頻率最高，本設計選擇中間方案。 2.2.2 Buck變換器電感的選擇 電感在開關電源中擔任儲能元件的角色，選擇Buck變換器電感的主要依據是變換器輸出電流的大小。充電時電感將電流轉換為電磁能，放電時將電磁能轉換為電流，升高開關頻率可以有效地降低電感的體積，但開關頻率又不能太高否則電感磁芯的高頻損耗將增大。從上面的3個方案中得到的3種不同型號的電感如表2所示。 從對比中可以看出，最高效率方案電感的直流電阻最小，功率損耗也最小，但因開關頻率低導致電感占用面積最大，成本也最高，最小面積方案直流電阻稍大但電感量較低。本設計選擇型號為：SRR1260-180M的電感，面積、直流電阻、電感值和功率損耗等參數較適中。 2.2.3 Buck變換器MOS管的選擇 MOS管在開關電源中是作為電子開關使用的，工作中導通和截止狀態交替進行。MOS管不是理想的開關，關斷和導通是需要時間的，即存在開關損耗，開關頻率越高，MOS管的開關損耗越大。 如表3所示，最高效率方案中開關頻率最小，導通電陽最小，通流能力最強，但成本最大。本設計折中選擇型號為型號CSD17507Q5A的MOS管，降低成本。 3 仿真與測試 選擇好芯片的外圍元件后，運用WEBENCH軟件對LM3150 Buck型開關電源電路進行仿真與測試，電壓、電流的輸出波形如圖5、6所示，輸出效率隨電流及輸入電壓Vin的變化如圖7所示，開關電源總損耗隨輸入電壓的變化如圖8所示。從圖中可看出電源效率隨輸入電壓增加總體下降，總體損耗隨輸入電壓增加總體在上升。 測試及仿真結果表明，基于LM3150設計的Buck型開關電源電路能夠得到穩定的3.3 V電壓，輸出電流2 A，電源效率可以達到93%以上。 4 結論 本文研究了降壓型變換器(Buck)的工作原理，借助于TI的WEBENCH電源設計工具完成基于LM3150設計的Buck型開關電源電路的外圍元件的參數選擇，實現效率、成本、面積和開關頻率的優化選擇。通過仿真表明該電源轉換效率高、帶負載能力強，可以廣泛應用于便攜設備中。 |
