如何設(shè)計一個簡單的恒流恒功率恒壓穩(wěn)壓降壓轉(zhuǎn)換器電源

1.前言

在上一篇《如何設(shè)計簡單的恒流恒壓轉(zhuǎn)換器 》的文章中，討論了如何設(shè)計恒流/恒壓轉(zhuǎn)換器 (CC/CV)。通過添加簡單的修改，可以修改功能以調(diào)節(jié)輸出功率并在恒功率 (CP) 限制內(nèi)運行，因為輸出電壓在 CC 運行模式下發(fā)生變化。本文章討論了使用 LM5117 降壓控制器的電流監(jiān)視器 (CM) 功能設(shè)計 CC/CP/CV 轉(zhuǎn)換器所需的簡單修改。

2.應(yīng)用實例

在 CC 工作模式下，輸出電壓隨著負(fù)載電阻的增加而增加，因此，隨著流入負(fù)載的電流被調(diào)節(jié)，輸出功率將線性增加。然而，一些應(yīng)用需要隨著輸出電壓的增加而降低輸出電流，從而限制輸送到負(fù)載的功率。通過對使用 LM5117 的 CC/CV 轉(zhuǎn)換器進行簡單修改，可以在較寬的輸出電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)相對平坦的功率限制。

CC/CP/CV的實現(xiàn)方法

圖 1 顯示了 CC/CP/CV 轉(zhuǎn)換器的典型分立實施方式。CC/CV 轉(zhuǎn)換器與 CC/CP/CV 轉(zhuǎn)換器的區(qū)別在于增加了一個前饋電阻 (Rff)。  

?F igure 1個典型的分立實施一個CC / CP / CV轉(zhuǎn)換器的

輸出電流調(diào)節(jié)

LM5117 有一個 CM 引腳。當(dāng)轉(zhuǎn)換器在連續(xù)導(dǎo)通模式下工作時，CM 引腳上的電壓 (VCM AVE ) 與輸出電流成正比。通過使用從 VCM AVE到地的電阻分壓器并將分壓器抽頭點連接到 LM5117 的反饋節(jié)點，您可以控制輸出電流。公式 1 表示 CM 引腳上的電壓與輸出電流之間的關(guān)系：

其中 Rs 是電流檢測電阻，As 是內(nèi)部電流檢測放大器增益。

CM 引腳上的電壓 (VCM AVE ) 與 LM5117 反饋節(jié)點上的電壓 (Vfb) 之間的關(guān)系由電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，并用公式 2 表示。

結(jié)合等式 1 和 2 并重新排列輸出電流，我們可以看到輸出電流是如何由從 CM 到 Vfb 的反饋電阻控制的。這如公式 3 所示。

CP編程

Rff 用于抵消 VCM AVE，因為 Vout 通過向 Vfb 注入電流而變化。在更高的輸出電壓下，更多的電流通過 Rff 注入 Vfb，這會降低 VCM AVE。從等式 1 中可以看出，VCM AVE控制輸出電流 (Iout)，通過降低 VCM AVE，我們可以隨著輸出電壓的增加而降低調(diào)節(jié)后的輸出電流。公式 4 計算VCM AVE處的電壓降低 (Voff CM ) ：

Rff 與輸出電壓呈線性關(guān)系，輸出電壓與 Iout 呈線性關(guān)系。因為我們實際上是對 Vfb 求和，所以給定輸出電壓范圍內(nèi)的功率限制將是非線性的。 

例如，考慮到 60W 功率限制和 6V 至 12V 輸出電壓范圍的要求，我們可以計算功率級組件。建議功率級元件選擇最高Iout 10A，對應(yīng)最低輸出電壓6V，功率限制60W。根據(jù)我們的計算，我們確定 Rs = 12mΩ 和 As = 8.5。請注意，在 CS 和 CSG 處通過外部 200Ω 串聯(lián)電阻降低了 LM5117 的 As。有關(guān)連接到這些引腳的串聯(lián)電阻如何降低電流檢測增益的更多詳細(xì)信息，請參閱 LM5117 數(shù)據(jù)表。

作為起點，選擇 RTop CM和 RBot CM 的值，它們將產(chǎn)生的最大調(diào)節(jié)輸出電流是 10A 指定調(diào)節(jié)電流的 1.4 倍，該電流出現(xiàn)在最小輸出電壓下。這個建議是基于這樣一個事實，即 Rff 會降低 VCM AVE，如前文所述，因此會降低 Iout。

例如，對于 6V 輸出的 60W 功率限制，將 10A 乘以 1.4，產(chǎn)生 14A 的穩(wěn)定輸出電流。為 RBot CM選擇 10kΩ并重新排列公式 3 以計算 ~25kΩ 的 Rtop CM。為 Rtop CM選擇 25.5kΩ 的標(biāo)準(zhǔn)值。

公式 5 計算在最小 Vout 處引入的誤差量，并用作 Rff 的良好起始值：

通過增加RFF在最小Vout的，你需要確保這個錯誤是從VCM減去AVE通過確保在VCM誤差等于VCM AVE。使公式 5 等于公式 4 并重新排列 Rff，如公式 6 所示：

評估公式 6 得出 Rff = 167kΩ。為 Rff 選擇 155kΩ 的標(biāo)準(zhǔn)值。使用公式 4，計算6V 輸出時的Voff CM = 0.855V。

公式 7 顯示了所得的 VCM AVE，它是通過從公式 2 中減去公式 4 來確定的：

對于此處給出的示例，VCM AVE =1.985V

VCM AVE控制輸出電流，該電壓隨著輸出電壓的增加而降低。公式 8 顯示了穩(wěn)壓輸出電流 (Iout adj )、VCM AVE和 Voff CM之間的關(guān)系。

評估公式 8 可得出在 6V 輸出時的 Iout adj = 10.053。

將公式 8 與輸出電壓相乘計算輸出功率，如公式 9 所示：

在哪里

計算公式 10 計算出 Pout = 60.13W。

我建議使用公式 7、8 和 9 來檢查給定輸出電壓范圍的功率限制，以確保功率限制曲線適合您特定應(yīng)用的需要。您可以調(diào)整 Rff 和 RTop CM來修改給定輸出電壓范圍的功率限制曲線。

圖 2 顯示了使用示例中的值隨電壓增加的功率限制圖。如前所述，CP 調(diào)節(jié)并不是精確恒定的，但本示例中的功率變化在整個工作范圍內(nèi)小于 ±7%。

圖 2：作為輸出電壓函數(shù)的功率限制曲線

參見圖 1，電壓鉗電路使用 LM4041 電壓基準(zhǔn)。LM4041 與其他參考電壓相比是獨一無二的，因為它的參考電壓 Vfb 設(shè)置在 LM4041 的陰極和參考引腳之間，而不是陽極和參考引腳（分別以陰極和陽極參考電壓參考）。這對于該特定應(yīng)用是有利的，因為它在從 CP 到 CV 控制的過渡期間最大限度地減少了 Rff 和 R1 之間的相互作用。

作為陰極參考，LM4041 允許電壓參考打開，而不會在轉(zhuǎn)換期間引入錯誤。通過使用 LM4041，最終結(jié)果是當(dāng)轉(zhuǎn)換器從 CP 變?yōu)?CV 調(diào)節(jié)時輸出電壓的微小變化，這完全基于為 RTop VC和 RBot VC選擇的值。

公式 11 設(shè)置電壓鉗位設(shè)置點：

LM5117 的 CC/CP/CV 設(shè)計

使用 LM5117 的 CC/CP/CV 轉(zhuǎn)換器功率級的設(shè)計方法與基本降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計方法相同。還可以查看 LM5117 數(shù)據(jù)表以獲取有關(guān)降壓功率級設(shè)計的指導(dǎo)。

示例示意圖

圖 3 顯示了 6V 至 12V 的 48V 輸入、60W 功率限制 LM5117，輸出電壓限制器 (Vclamp) 設(shè)置為在 12.5V 時工作。

圖 3：5V 至 12V 功率限制為 60W 且電壓鉗位設(shè)置為 12.5V 的示例原理圖

圖 4 顯示了作為 Iout 函數(shù)的測得效率。

圖 4：基于圖 3 的降壓轉(zhuǎn)換器的效率

圖 5 顯示了作為輸出電壓函數(shù)的測得功率限制曲線。

圖 5：功率限制配置文件

（我進一步降低了 Rff 以將功率限制保持在 60W 以下，為 Rff 選擇了 150kΩ 的最終值。）

圖 6 顯示了作為 Iout 函數(shù)的測得輸出電壓。轉(zhuǎn)換器的檢測電阻 (Rs) 設(shè)置圖表右側(cè)的最大電流。請注意，Rs 的值會影響功率調(diào)節(jié)變化。

圖 6：作為 Iout 函數(shù)的輸出電壓變化

圖 7 顯示了測量的開關(guān)節(jié)點 (CH3)、Vout 紋波 (CH1) 和輸出電流 (CH4) 在 48Vin、6.6Vout 在 Iout > 8A。

圖 7：穩(wěn)態(tài)示波器鏡頭

圖 8 顯示了在 48V 輸入電壓下測得的瞬態(tài)響應(yīng)，其中 Vout (CH1)、Iout (CH4) 和負(fù)載階躍從 3.8A 到 5.7A (0.1A/μs)。

圖 8：瞬態(tài)響應(yīng)范圍鏡頭

3.結(jié)論

LM5117 配置為 CC/CP/CV 轉(zhuǎn)換器，通過向 CC/CV 轉(zhuǎn)換器添加 Rff 電阻器，為輸出電壓范圍提供功率限制配置文件。這種設(shè)計方法相對簡單并且具有減小尺寸、成本和功率損耗的優(yōu)點。