BUCK型双输出同步控制器LM5642的原理与应用

2011-06-08 17:42:40来源: 互联网

1 引言
    AC/DC、DC/DC转换器负责系统电能转换和传送,其在系统中的角色相当于人体心脏,一旦出现问题,系统就会停止工作。通讯产品电源需要高可靠性。小型、轻量和高效率的电源应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备中,是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源供电方式。


2 LM5642器件简介
    图1为LM5642器件引脚配置,LM5642开关控制器有两种操作模式可供选择,除可提供两个电压输出外,也可利用双相位模式提供负载电流比双输出大1倍的单电压输出;该器件能以200 kHz的频率工作,其内含的两个控制器可在180°反相时继续工作;对于需利用该器件执行单输出稳压功能的高电流应用方案,此180°反相工作的功能可大幅减少输入滤波电容。LM5642的振荡器频率可在150~250 kHz内调节升压或降压,以确保可与系统同步操作,从而减少开关频率所造成的干扰。该器件内置的电流模式控制环路可在输入电压Vin为4.5~36 V宽范围变动,每一通道输出都可调整范围从1.3 V~90%Vin变动,其转换速度极高,效率更高达95%,适于为系统提供高电流、低电压电源的应用方案。

3 基于LM5642的双路输出大电流应用
    图2为LM5642双输出电路原理图,其输入为15 V,输出分别为+5 V/7 A和3.3 V/7 A,以图2的通道1为例介绍该设计设计中所考虑的关键参数和外围器件选型。

3.1 门限电流确定
    LM5642有两路电流门限设置引脚:引脚ILIM1和ILIM2(图2)。以引脚ILIM1为例,其器件内置恒定0. 99μA电流,并通过外部连接到Vin输入电阻R7转变为电压,该电压将和尺9的电压比较。R9与输入相连,是电流的主要通路,电流经R9进入功率场效应管。此处R8选择较小为100 Ω,忽略其分压。通过比较R7和R9的电压大小来确定电流是否合适,如果R7两端电压大于R9电压,器件正常工作,反之内部过流保护将关断。设计中通过比较电压合理设置R7的参数,而R9选取低阻值,一般为10 mΩ。
3.2 输出端电阻选择
    根据实际输出电压要求,由式(1)、(2)计算相关电阻值,在图2中两路输出电阻分别为R13、R14、R23、R24。
  

    考虑到输出电压的准确度,式(2)用来先确定R14的最大阻值,考虑输出电压具有3%的偏差,此处Vfb=1.238 V,最大流入反馈引脚FB1的电流为200 nA。
3.3 输出电感选择
    电感由输出纹波电压确定,由式(3)计算电感值Lmin。

  
    式中,f为器件的开关频率200 Hz,Vin为输入电压,Vo为输出电压,Vr为纹波电压,在电源设计中拟定为60 mV,Rc近似为输出电容等效阻抗,一般取20 mΩ。实际中还要考虑到纹波电流过高,在选取电感值时还要以纹波电流为依据。
    此外还要考虑到输出电容的等效阻抗对输出纹波的影响,功率场效应管的选择和其功耗问题。在设计中,为减小纹波采用高电压大容量电容。同时兼顾选取低等效阻抗电容。电源设计中所用关键器件都采用工业级产品或军工产品,以保证电源的高效性。
    因此功率场效应管的等效阻抗完全符合标准,二极管选择转换速度快的肖特基管,以适应LM5642开关频率200 Hz的快速转换速率。

4 基于LM5642的多路输出设计
    开关电源的控制器种类非常多,主要有电流和电压两大类型。电压控制型只对输出电压采样,作为反馈信号闭环控制,采用PWM技术调节输出电压。从控制理论的角度看,这是一种单环控制系统;电流控制型是在电压控制型的基础上,增加一个电流负反馈环节,使其成为双环控制系统,从而提高电源性能。基于LM5642的诸多优点,充分利用该器件的单、双输出通道特性.与其他DC/DC转换器设计出多路输出电压为系统供电。电源输入来自车载蓄电池的电压28 V,可作为光通信系统电源,具体设计框图如图3所示。

    电路板设计依据图3要求,器件采用国产的LM5642,LM2596,LM2679。其中用到两片LM5642,分别为U8和U6,分别输出15 V、+5 V/7 A和3.3 V/7 A;两片LM2679分别为U4和U5,分别输出+5 V/3.5 A和VDD。其中VDD为LM5642的VDD引脚供电;3片LM2596分别为U1、U2和U3,分别输出两个-5 V/1 A和+5V/3 A。

5 PCB布局
    PCB板的物理设计是开关电源设计最后一个环节,如果设计方法不当,PCB可能会辐射过多的电磁干扰(EMI)。结合LM5642的特点,与其他多种器件 (如LM2679)设计多输出电压源,PCB采用4层板布线,顶层和底层都放置元件,中间层分别为地层和大电流走线层,其中第2层为走线层,第3层为地层以保证高可靠性。对于+5 V/7 A和3.3 V/7 A大电流输出,布线主要是在第2层完成,线宽为200 mil。考虑到电磁干扰。适当加宽走线间距,输入输出采用钽电容和陶瓷电容相结合滤波(板子线宽按照1.5盎司厚度设计)。

6 结束语
    由于电源设计是为系统提供电源,因此要全面考虑整个系统,电源板提供多路输出到各子板,规划布局时使各路输出都以地线为间隔。由于子板中有数字地的区分,为减小干扰.在各子板中同样采用DC/DC变换转接以降低数字与模拟信号干扰。考虑到系统性能,可采用输入与输出地隔离技术;而考虑到子板间传递高速信号,因此在电源板设计中并没有采用输入与输出隔离地,同样可使系统稳定,因此以统一地作为参考面。

关键字:原理  应用

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0608/article_6366.html
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