李聚才，刘雪峰

（山西电子科技学院，山西临汾，041000）

在当代社会电源产业已变成重要的基础能源需求与产业，是整个电子和控制系统的发展基础[1]。电源是电子电路和设备的必要组成部分。所有的电子电路和设备都需要能够稳定输出的电源，针对不同的设备所需要的电源工作状态也不一样。直流稳压电源作为电源产业的一个重要分支，在工程科学技术、科研探索和计量检测领域广泛应用。其中高转化率的直流稳压电源作为发展的主要方向，在通信、电子以及军事等领域发挥着重要作用。根据其工作原理的区别，可将其分成线性稳压电源和开关稳压电源两类[2]。开关稳压电源是利用现代电力电子技术控制通断晶体管开关状态的时间比，保持输出电压稳定的一种直流电源。开关电源同时具备三种条件：开关、高频和直流[3]。

DC-DC 采用模块组建电源系统具有设计周期短、系统升级容易、可靠性强等特点，应用范围也越来越广泛。通过DC-DC 变换器搭建的电路具备精度高、抗干扰等特点[4]。将LM5117 作为主控芯片，构建起开关稳压电源能够完成16V 额定电压到5V 的转换，输出波纹低，转化率较高。

1 设计方案简介

LM5117 作为一款高性能的同步降压控制器，适用于高电压以及大变化区间的输入电源。此芯片具备输入电压前馈、简化环路补偿等功能。此外，独有的热关断、频率同步以及断续模式电流限制等能够实现故障保护。

方案中利用LM5117 控制电压相较于传统Buck 电路来说更为简洁有效。

系统实现DC-DC 降压时，采用了PWM 脉宽调制，稳压输出后将电流与电压参数传递到LM5117。单片机检测电流参数，一旦超过额定范围，过流保护动作。系统框图如图1 所示。

图1 系统框图

2 方案论证与计算

2.1 降低波纹方案

选取适当的开关频率，LM5117 开关频率是通过RT引脚和AGND 之间的电阻决定，一般较高频率体积较小，但往往损耗较大[5]。所以开关频率选择上，需要考量单片机的工作效率以及开关器件的损耗情况，将高频噪声控制在合理的区间内。通过多次实验，选定开关频率为fk= 230kHz。由于系统中内部振荡器的工作状况是由RT引脚和AGND 之间的电阻决定。因此在期望的开关频率下，计算得出电阻值为：

2.2 稳压方案

为了获得设计输出功率，电流取样SR选值要适当。选择电阻过大时，达不到要求的输出功率；选择电阻偏小时，会导致峰值电流过大，造成电路损耗大甚至可能损坏电路元件。电路计算得出相应的检测电阻 和斜坡电阻 ：

式中：考虑误差和波纹电流，最大输出电流能力IOUT应高于所需输出电流的20%～50%，取IOUT=3A的130%；利用斜坡发生器构成电流检测电路，选取适当的K值调节谐波振荡。本方案中设定K= 1以控制次谐波振荡和实现单周期阻尼。

通过RS和K值即可求出斜坡电阻RR：

式中：LM5117 采用的是独特的斜坡发生器，仿真电感器的电流为PWM 比较器提供一个斜坡信号，此方案中，设计斜坡电容选择为CR= 820pF；设定K= 1，以控制次谐波振荡和实现单周期阻尼；RS为公式（2）计算结果。

2.3 DC-DC 转换方案

利用PWM 脉宽调制实现DC-DC 转换，达成系统的数字化控制。电路FB 引脚上设置两个分压电阻RFB1和RFB2调节输出电压水平。分压电阻比影响系统中频增益，计算公式如下：

增大RFB2可以降低分压器功耗，但是需要增加较大的环路补偿电阻。RFB2足够大才能使得分压器总功耗很小，因此需要选择合适的输出分压器的RFB1和RFB2，本方案中选定RFB1= 950Ω、RFB2= 499Ω。

2.4 环路补偿计算

环路补偿是一种在电子电路中用于抵消误差和干扰的技术。它通过将一个反馈信号与输入信号进行比较，并根据比较结果对输入信号进行调整，从而实现对电路性能的优化和稳定。在现代电子设备中广泛应用环路补偿技术，为提高电路的精度、稳定性和可靠性起到了重要作用。

本文中在输出电压和接地点之间设置反馈电路和环路补偿，补偿电路由电容CCOMP、CHF和RCOMP构成，可配置误差放大器增益和相位特征，以产生一个稳定的电压环路。补偿电阻可由开关频率（十分之一）计算得出fC= 23kHz。

3 系统模块方案

3.1 过流保护模块

过流保护是一种电流保护装置，其作用是在电流超过预定最大值时触发动作。当流过受保护元件的电流超过预设值时，保护装置会被激活，其作用是确保动作的选择性，进而使断路器跳闸或发出报警信号。这种保护装置在许多电子设备中都存在，因为许多电子设备都有额定电流，一旦设备超过这个额定电流，就可能会导致设备烧坏。因此，这些器件都会做一个过流保护模块，当电流超过设定电流时，器件会自动断电以保护器件。

本文中LM5117 芯片的CM 端口可以实现模拟电流检测，在电路中添加采样电阻，通过外部采样电阻通过一定的算法采集转化到系统中的电流值后，将电流参数传递给单片机，单片机对该电流值进行测定。一旦检测到的电流超过设定的过流保护电流值后，切断电源，达成过流保护目标。电流检测电路和稳压保护如图2 所示。

图2 过流保护电路

3.2 输入输出电路滤波模块

滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路。滤波器可以对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，得到一个特定频率的电源信号，或消除一个特定频率后的电源信号。滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。

本文中系统输入电路由输入端共模电感ACT45B（L2）和电容C5、C6 进行滤波，共模电感作为双向滤波器，不仅会对传输电流形成电磁干扰还会自身产生电磁干扰。选用不同参数的电容并联接地，有效降低输入直流电压波纹，并防止高频干扰。

输出电路原理如图3 所示，电感L0 和电容构成L-C 滤波电路，同时在电感后并联多个接地电容，有效降低输出电压波纹，降低电路损耗，抑制高频噪声干扰，最大化提升电源效率。

图3 输出电路

3.3 环路补偿模块

输出电压VOUT和接地点之间串联可变电阻R1P和6R构成分压线路，分压后经由FB 端口传递给LM5117 进行处理。FB端口和COMP间通过电容C2和C3形成有效的环路补偿。电路原理图如图4 所示。

图4 环路补偿

4 系统方案检测

4.1 测试流程

系统中需要检测的参数有输出电压、输出电流、波纹电压等。选用精度较高的电子毫伏表、万用表以及示波器等。分别检测系统处于空载和满载两种情况下的输出电压参数，以此来检测负载变化率。将输入电压分别设定为17.6V 和13.6V，通过系统输出电压来测定电压变化率，进一步得出系统损失和转化效率。系统测试流程图如图5 所示。

图5 测试流程图

4.2 测试结果分析

4.2.1 输出电压在满载和轻载状态下的负载变化率St

系统额定输入电压为16V，调整负载电阻来改变输出电流，从而检测负载变化对应的输出电压值，计算出负载变化率 ，数据见表1。

表1 负载变化率

由表1 可得负载变化率St的值。电源负载的变化会引起电源输出的变化，负载增加，输出降低，反之，负载减少，输出升高。实验过程中St的变 化 值 在3.4%～3.8% 之 间， 在3%～5%范围内，说明电源负载变化引起的输出变化较小，电源表现良好。

4.2.2 不同输入电压条件的电压调整率Sv

电压调整率是用来衡量电压变化对电压稳定性的影响。计算方式是电压变化与原始电压之间的比率，通常以百分数表示，计算公式如下：

式中：ΔU0max为输出电压变化量。试验时设定标准输入电压为16V，输出电压为5V，通过调压器调整输入电压参数，记录输出电压数据，见表2。

表2 电压调整率

电压调整率是电力系统稳定运行的重要指标。如果电压调整率过低，则表明电压变化范围较小，电力系统比较稳定；反之，则表明电压变化范围较大，电压稳定性偏差，这会导致电力系统运行不稳定。由表2 可知电压变化范围为0.2%～0.4%之间，变化范围较小，电力系统能够正常运行。

4.2.3 系统效率和过流保护检测

系统输入为额定电压且满载状态时，调节电感和开关频率。检测系统输出功率并计算运行效率，计算得出η=92%，可以看出该系统设计运行效率较高。

对系统过流保护模块进行测试，经过多次试验后，得出该系统在电流超过3.2A 时过流保护模块动作。

5 结论

基于实验测试的最终结果，可以发现该系统处在12V到18V 的输入电压变化区间内，均可以保证稳定输出5V 电压，同时系统输出电流满载。整体来看，系统输出电压稳定性良好，当系统输入为额定电压时，输出电压噪声波纹可以控制在合理范围内，峰值Uopp不超过50mV，且电压偏差ΔU0小于100mV。此外，该电源系统的电压调整率和负载调整率较为理想，St≤5%，SV≤ 0.05%。该电源系统还具有如下特性：

（1）系统转换效率η=92%，较同类电源有明显提升。

（2）该系统具有过流保护功能，保护电流为I= 3.2A± 0.1A，动作反应迅速。

（3）整体电源重量较轻，方便操作与携带。