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摘要：Buck型開關(guān)穩(wěn)壓電源在現(xiàn)代電子設(shè)備中應(yīng)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(guān)電源的設(shè)計。借助于WEBENCH電源設(shè)計工具選擇合適的外圍元件，實現(xiàn)效率、成本、面積和開關(guān)頻率的優(yōu)化。通過仿真表明該電源穩(wěn)定性好，轉(zhuǎn)換效率高，可以廣泛應(yīng)用于便攜設(shè)備中。 現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)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(fā)生變化，只要這些變化在穩(wěn)壓源的運行范圍內(nèi)，穩(wěn)壓源都要保證電路有恒定的連續(xù)的電壓輸出。在便攜式系統(tǒng)中，輸入電壓常常來自電池或直流電壓源，而系統(tǒng)所用的芯片越來越多，芯片的功耗也越來越大，系統(tǒng)各芯片對電源的電壓、電流和性能要求也多種多樣。開關(guān)電源以PWM技術(shù)為主，通過改變脈沖的占空比調(diào)節(jié)輸出電壓，如何根據(jù)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(yōu)化，是電子系統(tǒng)設(shè)計中面臨的重要問題。借助于TI最新的WEBENCH電源設(shè)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(shè)計和優(yōu)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(guān)元件MOS管M1，二極管D1，電感L1，電容C1和反饋環(huán)路。如圖，當(dāng)M1導(dǎo)通時，V1與輸出電壓Vdc相等，D1反向截止。電流IM1=IL1流經(jīng)電感L1，電流線性增加，經(jīng)電容C1濾波，產(chǎn)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?yōu)榈碗娖�，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(shè)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(diào)整，最低可達0.6 V，開關(guān)頻率可調(diào)節(jié)至1MHz。LM3150控制器采用固定導(dǎo)通時間(COT)結(jié)構(gòu)，具有特快的瞬態(tài)響應(yīng)，無需外置環(huán)路補償，有助于減少外置元件數(shù)和降低設(shè)計復(fù)雜性;可使用低等效串聯(lián)電阻(ESR)輸出電容器，從而降低了整體設(shè)計方案尺寸和輸出電壓紋波。LM3150內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。 2.2 LM3150電路優(yōu)化設(shè)計 WEBENCH Design Environments是獨特而強大的軟件工具，能在很短的幾秒內(nèi)提供定制照明、電源、時鐘、濾波以及傳感設(shè)計等。WEBEN CH簡單易用的工具能幫助用戶創(chuàng)建、模擬并優(yōu)化符合獨特規(guī)格的設(shè)計。與此同時，這些工具能讓用戶在將設(shè)計投入生產(chǎn)之前在設(shè)計、系統(tǒng)和供應(yīng)鏈層面進行基于價值的權(quán)衡。 開關(guān)電源設(shè)計的重要參數(shù)是效率、體積和成本，這幾個方面不可能同時到達最優(yōu)，而跟效率、成本和體積緊密相關(guān)的因素主要是：開關(guān)頻率，電感，MOS管的開關(guān)損耗以及MOS管導(dǎo)通損耗。借助于WEBENCH軟件可以完成芯片外圍電路的優(yōu)化選擇。 基于LM3150設(shè)計的BUCK型開關(guān)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(yōu)先并可達到90%以上。 2.2.1 開關(guān)頻率和效率的選擇 借助于WEBENCH可以對開關(guān)電源電路設(shè)計的效率、成本、面積和開關(guān)頻率進行優(yōu)化，如表1所示是WEBENCH對LM3150應(yīng)用電路在最高效率、最小面積和中間方案的對比結(jié)果。 從表中可以看出，效率最高的方案開關(guān)頻率最低但占用面積最多，最小面積方案效率最低但開關(guān)頻率最高，本設(shè)計選擇中間方案。 2.2.2 Buck變換器電感的選擇 電感在開關(guān)電源中擔(dān)任儲能元件的角色，選擇Buck變換器電感的主要依據(jù)是變換器輸出電流的大小。充電時電感將電流轉(zhuǎn)換為電磁能，放電時將電磁能轉(zhuǎn)換為電流，升高開關(guān)頻率可以有效地降低電感的體積，但開關(guān)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(guān)頻率低導(dǎo)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(shè)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(shù)較適中。 2.2.3 Buck變換器MOS管的選擇 MOS管在開關(guān)電源中是作為電子開關(guān)使用的，工作中導(dǎo)通和截止狀態(tài)交替進行。MOS管不是理想的開關(guān)，關(guān)斷和導(dǎo)通是需要時間的，即存在開關(guān)損耗，開關(guān)頻率越高，MOS管的開關(guān)損耗越大。 如表3所示，最高效率方案中開關(guān)頻率最小，導(dǎo)通電陽最小，通流能力最強，但成本最大。本設(shè)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(guān)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(guān)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(jié)果表明，基于LM3150設(shè)計的Buck型開關(guān)電源電路能夠得到穩(wěn)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(jié)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(shè)計工具完成基于LM3150設(shè)計的Buck型開關(guān)電源電路的外圍元件的參數(shù)選擇，實現(xiàn)效率、成本、面積和開關(guān)頻率的優(yōu)化選擇。通過仿真表明該電源轉(zhuǎn)換效率高、帶負載能力強，可以廣泛應(yīng)用于便攜設(shè)備中。 |
