一種基于LM3150 Buck型開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)都需要一個(gè)恒定輸出的供電電源，無(wú)論輸入電壓還是負(fù)載電流發(fā)生變化，只要這些變化在穩(wěn)壓源的運(yùn)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(lái)自電池或直流電壓源，而系統(tǒng)所用的芯片越來(lái)越多，芯片的功耗也越來(lái)越大，系統(tǒng)各芯片對(duì)電源的電壓、電流和性能要求也多種多樣。開(kāi)關(guān)電源以PWM技術(shù)為主，通過(guò)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(jì)中面臨的重要問(wèn)題。借助于TI最新的WEBENCH電源設(shè)計(jì)工具可以在TI眾多的電源芯片中挑選出適合項(xiàng)目的芯片并進(jìn)行外圍電路設(shè)計(jì)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(kāi)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(shí)，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(duì)Vo采樣得到Vs，Vs與參考電壓Vref比較得到信號(hào)Vea。如圖1(a)所示，Vtr>Vea時(shí)，控制信號(hào)VG跳變?yōu)榈碗娖?，MOS管M1截止。此時(shí)，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(guò)。若IL1

　　2 BUCk變換器設(shè)計(jì)

　　2.1LM3150功能介紹

　　LM3150是一款簡(jiǎn)單易用，且可提供最高達(dá)12 A輸出電流的簡(jiǎn)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(dá)0.6 V，開(kāi)關(guān)頻率可調(diào)節(jié)至1MHz。LM3150控制器采用固定導(dǎo)通時(shí)間(COT)結(jié)構(gòu)，具有特快的瞬態(tài)響應(yīng)，無(wú)需外置環(huán)路補(bǔ)償，有助于減少外置元件數(shù)和降低設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)

　　WEBENCH Design Environments是獨(dú)特而強(qiáng)大的軟件工具，能在很短的幾秒內(nèi)提供定制照明、電源、時(shí)鐘、濾波以及傳感設(shè)計(jì)等。WEBEN CH簡(jiǎn)單易用的工具能幫助用戶創(chuàng)建、模擬并優(yōu)化符合獨(dú)特規(guī)格的設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，這些工具能讓用戶在將設(shè)計(jì)投入生產(chǎn)之前在設(shè)計(jì)、系統(tǒng)和供應(yīng)鏈層面進(jìn)行基于價(jià)值的權(quán)衡。

　　開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的重要參數(shù)是效率、體積和成本，這幾個(gè)方面不可能同時(shí)到達(dá)最優(yōu)，而跟效率、成本和體積緊密相關(guān)的因素主要是：開(kāi)關(guān)頻率，電感，MOS管的開(kāi)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(jì)的BUCK型開(kāi)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(fù)載電流2 A，效率優(yōu)先并可達(dá)到90%以上。

　　2.2.1 開(kāi)關(guān)頻率和效率的選擇

　　借助于WEBENCH可以對(duì)開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)的效率、成本、面積和開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行優(yōu)化，如表1所示是WEBENCH對(duì)LM3150應(yīng)用電路在最高效率、最小面積和中間方案的對(duì)比結(jié)果。

　　從表中可以看出，效率最高的方案開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率最高，本設(shè)計(jì)選擇中間方案。

　　2.2.2 Buck變換器電感的選擇

　　電感在開(kāi)關(guān)電源中擔(dān)任儲(chǔ)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(shí)電感將電流轉(zhuǎn)換為電磁能，放電時(shí)將電磁能轉(zhuǎn)換為電流，升高開(kāi)關(guān)頻率可以有效地降低電感的體積，但開(kāi)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(gè)方案中得到的3種不同型號(hào)的電感如表2所示。

　　從對(duì)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(kāi)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(jì)選擇型號(hào)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(kāi)關(guān)電源中是作為電子開(kāi)關(guān)使用的，工作中導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)交替進(jìn)行。MOS管不是理想的開(kāi)關(guān)，關(guān)斷和導(dǎo)通是需要時(shí)間的，即存在開(kāi)關(guān)損耗，開(kāi)關(guān)頻率越高，MOS管的開(kāi)關(guān)損耗越大。

如表3所示，最高效率方案中開(kāi)關(guān)頻率最小，導(dǎo)通電陽(yáng)最小，通流能力最強(qiáng)，但成本最大。本設(shè)計(jì)折中選擇型號(hào)為型號(hào)CSD17507Q5A的MOS管，降低成本。

　　3 仿真與測(cè)試

　　選擇好芯片的外圍元件后，運(yùn)用WEBENCH軟件對(duì)LM3150 Buck型開(kāi)關(guān)電源電路進(jìn)行仿真與測(cè)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(kāi)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(cè)試及仿真結(jié)果表明，基于LM3150設(shè)計(jì)的Buck型開(kāi)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(dá)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(jì)工具完成基于LM3150設(shè)計(jì)的Buck型開(kāi)關(guān)電源電路的外圍元件的參數(shù)選擇，實(shí)現(xiàn)效率、成本、面積和開(kāi)關(guān)頻率的優(yōu)化選擇。通過(guò)仿真表明該電源轉(zhuǎn)換效率高、帶負(fù)載能力強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于便攜設(shè)備中。