BUCK型雙輸出同步控制器LM5642的原理與應(yīng)用

1 引言
    AC／DC、DC／DC轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換和傳送，其在系統(tǒng)中的角色相當(dāng)于人體心臟，一旦出現(xiàn)問題，系統(tǒng)就會(huì)停止工作。通訊產(chǎn)品電源需要高可靠性。小型、輕量和高效率的電源應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備中，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源供電方式。

2 LM5642器件簡(jiǎn)介
    圖1為L(zhǎng)M5642器件引腳配置，LM5642開關(guān)控制器有兩種操作模式可供選擇，除可提供兩個(gè)電壓輸出外，也可利用雙相位模式提供負(fù)載電流比雙輸出大1倍的單電壓輸出；該器件能以200 kHz的頻率工作，其內(nèi)含的兩個(gè)控制器可在180°反相時(shí)繼續(xù)工作；對(duì)于需利用該器件執(zhí)行單輸出穩(wěn)壓功能的高電流應(yīng)用方案，此180°反相工作的功能可大幅減少輸入濾波電容。LM5642的振蕩器頻率可在150～250 kHz內(nèi)調(diào)節(jié)升壓或降壓，以確?？膳c系統(tǒng)同步操作，從而減少開關(guān)頻率所造成的干擾。該器件內(nèi)置的電流模式控制環(huán)路可在輸入電壓Vin為4．5～36 V寬范圍變動(dòng)，每一通道輸出都可調(diào)整范圍從1．3 V～90％Vin變動(dòng)，其轉(zhuǎn)換速度極高，效率更高達(dá)95％，適于為系統(tǒng)提供高電流、低電壓電源的應(yīng)用方案。

3 基于LM5642的雙路輸出大電流應(yīng)用
    圖2為L(zhǎng)M5642雙輸出電路原理圖，其輸入為15 V，輸出分別為+5 V／7 A和3．3 V／7 A，以圖2的通道1為例介紹該設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中所考慮的關(guān)鍵參數(shù)和外圍器件選型。

3．1 門限電流確定
    LM5642有兩路電流門限設(shè)置引腳：引腳ILIM1和ILIM2(圖2)。以引腳ILIM1為例，其器件內(nèi)置恒定0． 99μA電流，并通過(guò)外部連接到Vin輸入電阻R7轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?，該電壓將和?的電壓比較。R9與輸入相連，是電流的主要通路，電流經(jīng)R9進(jìn)入功率場(chǎng)效應(yīng)管。此處R8選擇較小為100 Ω，忽略其分壓。通過(guò)比較R7和R9的電壓大小來(lái)確定電流是否合適，如果R7兩端電壓大于R9電壓，器件正常工作，反之內(nèi)部過(guò)流保護(hù)將關(guān)斷。設(shè)計(jì)中通過(guò)比較電壓合理設(shè)置R7的參數(shù)，而R9選取低阻值，一般為10 mΩ。
3．2 輸出端電阻選擇
    根據(jù)實(shí)際輸出電壓要求，由式(1)、(2)計(jì)算相關(guān)電阻值，在圖2中兩路輸出電阻分別為R13、R14、R23、R24。
  

    考慮到輸出電壓的準(zhǔn)確度，式(2)用來(lái)先確定R14的最大阻值，考慮輸出電壓具有3％的偏差，此處Vfb=1．238 V，最大流入反饋引腳FB1的電流為200 nA。
3．3 輸出電感選擇
    電感由輸出紋波電壓確定，由式(3)計(jì)算電感值Lmin。

  
    式中，f為器件的開關(guān)頻率200 Hz，Vin為輸入電壓，Vo為輸出電壓，Vr為紋波電壓，在電源設(shè)計(jì)中擬定為60 mV，Rc近似為輸出電容等效阻抗，一般取20 mΩ。實(shí)際中還要考慮到紋波電流過(guò)高，在選取電感值時(shí)還要以紋波電流為依據(jù)。
    此外還要考慮到輸出電容的等效阻抗對(duì)輸出紋波的影響，功率場(chǎng)效應(yīng)管的選擇和其功耗問題。在設(shè)計(jì)中，為減小紋波采用高電壓大容量電容。同時(shí)兼顧選取低等效阻抗電容。電源設(shè)計(jì)中所用關(guān)鍵器件都采用工業(yè)級(jí)產(chǎn)品或軍工產(chǎn)品，以保證電源的高效性。
    因此功率場(chǎng)效應(yīng)管的等效阻抗完全符合標(biāo)準(zhǔn)，二極管選擇轉(zhuǎn)換速度快的肖特基管，以適應(yīng)LM5642開關(guān)頻率200 Hz的快速轉(zhuǎn)換速率。

4 基于LM5642的多路輸出設(shè)計(jì)
    開關(guān)電源的控制器種類非常多，主要有電流和電壓兩大類型。電壓控制型只對(duì)輸出電壓采樣，作為反饋信號(hào)閉環(huán)控制，采用PWM技術(shù)調(diào)節(jié)輸出電壓。從控制理論的角度看，這是一種單環(huán)控制系統(tǒng)；電流控制型是在電壓控制型的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)，使其成為雙環(huán)控制系統(tǒng)，從而提高電源性能?；贚M5642的諸多優(yōu)點(diǎn)，充分利用該器件的單、雙輸出通道特性．與其他DC／DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)出多路輸出電壓為系統(tǒng)供電。電源輸入來(lái)自車載蓄電池的電壓28 V，可作為光通信系統(tǒng)電源，具體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

    電路板設(shè)計(jì)依據(jù)圖3要求，器件采用國(guó)產(chǎn)的LM5642，LM2596，LM2679。其中用到兩片LM5642，分別為U8和U6，分別輸出15 V、+5 V／7 A和3．3 V／7 A；兩片LM2679分別為U4和U5，分別輸出+5 V／3．5 A和VDD。其中VDD為L(zhǎng)M5642的VDD引腳供電；3片LM2596分別為U1、U2和U3，分別輸出兩個(gè)－5 V／1 A和+5V／3 A。

5 PCB布局
    PCB板的物理設(shè)計(jì)是開關(guān)電源設(shè)計(jì)最后一個(gè)環(huán)節(jié)，如果設(shè)計(jì)方法不當(dāng)，PCB可能會(huì)輻射過(guò)多的電磁干擾(EMI)。結(jié)合LM5642的特點(diǎn)，與其他多種器件 (如LM2679)設(shè)計(jì)多輸出電壓源，PCB采用4層板布線，頂層和底層都放置元件，中間層分別為地層和大電流走線層，其中第2層為走線層，第3層為地層以保證高可靠性。對(duì)于+5 V／7 A和3．3 V／7 A大電流輸出，布線主要是在第2層完成，線寬為200 mil?？紤]到電磁干擾。適當(dāng)加寬走線間距，輸入輸出采用鉭電容和陶瓷電容相結(jié)合濾波(板子線寬按照1．5盎司厚度設(shè)計(jì))。

6 結(jié)束語(yǔ)
    由于電源設(shè)計(jì)是為系統(tǒng)提供電源，因此要全面考慮整個(gè)系統(tǒng)，電源板提供多路輸出到各子板，規(guī)劃布局時(shí)使各路輸出都以地線為間隔。由于子板中有數(shù)字地的區(qū)分，為減小干擾．在各子板中同樣采用DC／DC變換轉(zhuǎn)接以降低數(shù)字與模擬信號(hào)干擾?？紤]到系統(tǒng)性能，可采用輸入與輸出地隔離技術(shù)；而考慮到子板間傳遞高速信號(hào)，因此在電源板設(shè)計(jì)中并沒有采用輸入與輸出隔離地，同樣可使系統(tǒng)穩(wěn)定，因此以統(tǒng)一地作為參考面。