利用LM3478設(shè)計(jì)50W DC-DC升降壓變換器

引言

　　現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展很快，半導(dǎo)體供應(yīng)商不斷推出新器件，從而推動(dòng)電子應(yīng)用工程師的不斷創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以滿足市場(chǎng)的日益需求。本文介紹的即是基于客戶的需求，應(yīng)用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的新型電流型PWM芯片LM3478及基于SEPIC升降壓原理實(shí)現(xiàn)的50W DC-DC 適配器。該適配器的主要特點(diǎn)是：直流輸入電壓范圍極寬；輸出功率大；保護(hù)功能全；輸出紋波??；效率高；工作穩(wěn)定可靠；應(yīng)用范圍廣。

　　SEPIC型變換器

　　SEPIC的電氣原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。

通常稱(chēng)之為升降壓變換器SEPIC的簡(jiǎn)單原理如下：當(dāng)SW開(kāi)通時(shí)，加在L1，L2上的電壓均為Vin，此時(shí)Cp并在L2上，且有Cp上的電壓與L2上的相等。當(dāng)SW關(guān)斷時(shí)，L1中的電流繼續(xù)沿著Cp、D1流向Cout輸出到負(fù)載，同時(shí)L2的電流也流向D1、Cout輸出到負(fù)載。在此期間，通過(guò)L1、L2的電壓均等于輸出電壓Vout。由SEPIC的原理可推出基本關(guān)系式：Vout/Vin＝D/(1-D)。式中D為占空比，且忽略SW及L1等的壓降。

　　LM3478

　　LM3478芯片的主要特點(diǎn)：

　　·寬輸入電壓:2.79—40VDC

　　·高工作頻率:100KHz—1MHz

　　·微型封裝:MSOP-8

　　·驅(qū)動(dòng)電流:1A

　　·內(nèi)部限制:OCP,OVP,LVP,OTP

　　·工作溫度:-40℃—+125℃

　　50W DC-DC變換器設(shè)計(jì)

　　該變換器的主要技術(shù)要求：

　　直流輸入電壓范圍：9-60VDC

　　輸入電流：＜6A(9VDC)

　　直流輸出電壓：12VDC±%

　　直流輸出電流：3.5A

　　輸出紋波電壓：＜100mV RMS

　　額定功率：42W

　　峰值功率：50W

　　電源效率：典型值85%；滿負(fù)載

　　保護(hù)型式：電流限制功率保護(hù)

　　輸出過(guò)流保護(hù)：＜4.2A

　　輸出過(guò)壓保護(hù)：由LM3478控制

　　工作溫度范圍: -20℃—＋70℃

　　安規(guī)及EMC符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

　　高可靠性MTBF＞100,000小時(shí)

　　外型及尺寸：塑殼式；102×46×25(mm)

　　50W DC-DC 變換器的電氣原理圖如圖2所示。

該電路是基于SEPIC拓?fù)?、?yīng)用LM3478芯片按照客戶的技術(shù)要求設(shè)計(jì)的。在該電路中，考慮到適配器的體積及儲(chǔ)能電感磁性材料的體積，選定工作頻率Fs＝250KHz。

　　計(jì)算儲(chǔ)能電感L3、L4的電感量及磁芯選擇

　　首先由公式：D＝Vout/(Vout+Vin)計(jì)算占空比。由于最嚴(yán)酷條件下的電感紋波電流是在最大輸入電壓下，所以D＝12/(12+60)≈0.167。

　　計(jì)算儲(chǔ)能電感l(wèi)3、L4：正常情況下，L4的大小在確保最小負(fù)載電流下使電感電流連續(xù)，且輸出紋波滿足指標(biāo)要求。為此，我們假定在20%最小負(fù)載電流下，允許有40%的峰-峰值紋波電流流過(guò)L4。

　　C1、C2為輸入濾波，Q1、DZ1、DZ2、D1-1構(gòu)成啟動(dòng)電源，L3、L4為儲(chǔ)能電感，Q2為功率MOSFET，IC為PWM驅(qū)動(dòng)芯片，R5為頻率調(diào)整電阻，C3、C4、R2為反饋補(bǔ)償，R3、R4為反饋分壓電阻，R7為過(guò)電流取樣電阻，C8、C9為SEPIC電容，R8、R9、C6、C7為吸收網(wǎng)絡(luò)，D2為輸出整流二極管，C10、C11、C12為輸出濾波電容。當(dāng)然要想符合EMC要求，輸入端還應(yīng)該有共模電感，差模電感，及X、Y等安規(guī)電容。

　　L＝V×dt/di；

　　其中dt＝1/Fs×D＝1/(250×103)×0.167≈0.668，V為Vin在MOSFET開(kāi)通時(shí)的值。因此，有如下計(jì)算：

　　L4＝60×(0.668×10-6/0.4)＝100.2μH。取100μH的標(biāo)稱(chēng)值。由該SEPIC原理及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知，作為倆個(gè)分離的儲(chǔ)能電感，L3的取值也為：100μH。

　　由于該電感為儲(chǔ)能電感，因此，對(duì)磁性材料的選取要特別注意。此處選擇的材料為：Magnetic公司的Kool Mu，相同性能的材料，其他公司又稱(chēng)鐵硅鋁。參數(shù)如下：

　　·料號(hào)：77381-A7，黑色

　　·尺寸：17.27×9.65×6.35(mm)，為環(huán)型磁芯

　　·電感因數(shù)AL：43(nH/N2)，N為圈數(shù)

　　由公式：L＝AL×N2，可以計(jì)算出電感圈數(shù)為：

　　48圈，且用AWG18號(hào)線繞制。L3、L4相同參數(shù)。

　　·Magnetic公司的Kool Mu材料，損耗少，相對(duì)成本低，也可以選同規(guī)格其他廠商鐵硅鋁材料。如果想進(jìn)一步降低成本也可以選用國(guó)產(chǎn)的鐵硅鋁材料。

　　上述L3、L4為兩個(gè)分離電感設(shè)計(jì)，也可以共用一個(gè)儲(chǔ)能磁環(huán)，只是此時(shí)由于耦合電感的存在，計(jì)算的電感值為上述值的一半，為50μH。但成本低些。

　　PCB注意事項(xiàng)

　　由于為高頻DC-DC變換,因此，PCB布線很重要。區(qū)分功率地與信號(hào)地的匯流點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)IC與MOSFET的關(guān)系，輸入濾波與輸出濾波的位置等。同時(shí)注意分離元件及貼片元件的位置關(guān)系。還要考慮散熱器的形狀及散熱面積。

　　關(guān)鍵元器件的選擇及說(shuō)明

　　功率MOSFET的選擇：N-FET，極低導(dǎo)通電阻，低門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓：5V—7V，符合PWM-IC要求，TO-220AB封裝，100V/85A，結(jié)溫175℃。型號(hào)為VISHAY：SUP85N10-10。

　　肖特基整流二極管的選擇：型號(hào)為MBR20100CT，封裝為T(mén)O-220AB，100V/20A，正向壓降低。

　　輸入、輸出濾波電解電容可由計(jì)算公式或經(jīng)驗(yàn)選取。C8、C9可由計(jì)算公式或?qū)嶒?yàn)選擇。取樣電阻的參數(shù)可由計(jì)算及實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。

　　樣機(jī)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法

　　按照上述原理及計(jì)算參數(shù)進(jìn)行PCB的焊接及調(diào)試。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題如下：

　　·由LM3478芯片的特點(diǎn)及典型的EPIC應(yīng)用來(lái)看，比較適合功率等級(jí)20W以下的DC-DC變換器。而此處設(shè)計(jì)成50WDC-DC變換器，發(fā)現(xiàn)PWM驅(qū)動(dòng)MOSFET有些困難，波形畸變及MOSFET功耗大，解決的方法為：在IC的6腳與MOSFET的柵極之間加入一級(jí)驅(qū)動(dòng)放大，即由NPN和PNP對(duì)管組成的放大級(jí)。

　　·L3、L4均取100μH的電感量在工作時(shí)發(fā)現(xiàn)：在輸出輕載或空載時(shí)，輸出紋波過(guò)大。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由電感L3引起的，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及分析將L3的電感量降為50mH即可解決問(wèn)題。

　　·IC的2引腳COMP對(duì)地的補(bǔ)償參數(shù)C3、C4、R2：若按典型參數(shù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)樣機(jī)有噪聲且不穩(wěn)定，經(jīng)試驗(yàn)將C2去掉，結(jié)果沒(méi)有噪聲且工作穩(wěn)定。

　　·取樣電阻R7：由于IC的特點(diǎn)使取樣電阻的閥值很低，而且該DC-DC的功率相對(duì)較大，致使取樣電阻R7的選取比較困難，為了降低成本選用微阻抗電阻。

　　結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)對(duì)該DC-DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)IC的選擇，設(shè)計(jì)出了滿足技術(shù)要求的50W適配器，雖然調(diào)試過(guò)程中遇到了一些問(wèn)題，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析得到了解決。從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，用此原理設(shè)計(jì)出50W的電源已經(jīng)很有優(yōu)勢(shì)了。下一步還要考慮EMC及安規(guī)問(wèn)題來(lái)滿足國(guó)際市場(chǎng)的要求。實(shí)驗(yàn)表明，該適配器可用于寬輸入電壓范圍的DC-DC變換器及對(duì)蓄電池充電的場(chǎng)合。