LM5642開關控制器的原理及應用設計

作者：冀勇，唐湘成，吳盡昭，劉怡

1 引言

AC／DC、DC／DC轉(zhuǎn)換器負責系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換和傳送，其在系統(tǒng)中的角色相當于人體心臟，一旦出現(xiàn)問題，系統(tǒng)就會停止工作。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用于以電子計算機為主導的各種終端設備、通信設備中，是當今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源供電方式。

2 LM5642器件簡介

圖1為LM5642器件引腳配置，LM5642開關控制器有兩種操作模式可供選擇，除可提供兩個電壓輸出外，也可利用雙相位模式提供負載電流比雙輸出大1倍的單電壓輸出；該器件能以200 kHz的頻率工作，其內(nèi)含的兩個控制器可在180°反相時繼續(xù)工作；對于需利用該器件執(zhí)行單輸出穩(wěn)壓功能的高電流應用方案，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，每一通道輸出都可調(diào)整范圍從1．3 V～90％Vin變動，其轉(zhuǎn)換速度極高，效率更高達95％，適于為系統(tǒng)提供高電流、低電壓電源的應用方案。

3 基于LM5642的雙路輸出大電流應用

圖2為LM5642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為例介紹該設計設計中所考慮的關鍵參數(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進入功率場效應管。此處R8選擇較小為100 Ω，忽略其分壓。通過比較R7和R9的電壓大小來確定電流是否合適，如果R7兩端電壓大于R9電壓，器件正常工作，反之內(nèi)部過流保護將關斷。設計中通過比較電壓合理設置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)實際輸出電壓要求，由式（1）、（2）計算相關電阻值，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確度，式（2）用來先確定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）計算電感值Lmin。

式中，f為器件的開關頻率200 Hz，Vin為輸入電壓，Vo為輸出電壓，Vr為紋波電壓，在電源設計中擬定為60 mV，Rc近似為輸出電容等效阻抗，一般取20 mΩ。實際中還要考慮到紋波電流過高，在選取電感值時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輸出紋波的影響，功率場效應管的選擇和其功耗問題。在設計中，為減小紋波采用高電壓大容量電容。同時兼顧選取低等效阻抗電容。電源設計中所用關鍵器件都采用工業(yè)級產(chǎn)品或軍工產(chǎn)品，以保證電源的高效性。

因此功率場效應管的等效阻抗完全符合標準，二極管選擇轉(zhuǎn)換速度快的肖特基管，以適應LM5642開關頻率200 Hz的快速轉(zhuǎn)換速率。

4 基于LM5642的多路輸出設計

開關電源的控制器種類非常多，主要有電流和電壓兩大類型。電壓控制型只對輸出電壓采樣，作為反饋信號閉環(huán)控制，采用PWM技術調(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上，增加一個電流負反饋環(huán)節(jié)，使其成為雙環(huán)控制系統(tǒng)，從而提高電源性能。基于LM5642的諸多優(yōu)點，充分利用該器件的單、雙輸出通道特性．與其他DC／DC轉(zhuǎn)換器設計出多路輸出電壓為系統(tǒng)供電。電源輸入來自車載蓄電池的電壓28 V，可作為光通信系統(tǒng)電源，具體設計框圖如圖3所示。

電路板設計依據(jù)圖3要求，器件采用國產(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LM5642的VDD引腳供電；3片LM2596分別為U1、U2和U3，分別輸出兩個－5 V／1 A和+5V／3 A。

5 PCB布局

PCB板的物理設計是開關電源設計最后一個環(huán)節(jié)，如果設計方法不當，PCB可能會輻射過多的電磁干擾（EMI）。結(jié)合LM5642的特點，與其他多種器件 （如LM2679）設計多輸出電壓源，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盎司厚度設計）。

6 結(jié)束語

由于電源設計是為系統(tǒng)提供電源，因此要全面考慮整個系統(tǒng)，電源板提供多路輸出到各子板，規(guī)劃布局時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)字與模擬信號干擾?？紤]到系統(tǒng)性能，可采用輸入與輸出地隔離技術；而考慮到子板間傳遞高速信號，因此在電源板設計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。

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