CN106941320A - 基于cc/cv控制的开关电源电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于CC/CV控制的开关电源电路，包括Buck电路、降压控制器、电流采集电路、电压采集电路、双电平欠压锁定电路、打嗝限流电路、软启动保护电路、同步振荡器、补偿电路、斜坡电路、自举电路、输入滤波电路和输出滤波电路。本发明开关电源采用降压控制器LM5117芯片和CSD18532KCS MOS场效应管为核心器件，针对高频开关电源存在的过冲及振铃问题对电源进行优化设计。该电路功能强大，性能指标优良，具有较高的实用价值。

Description

基于CC/CV控制的开关电源电路
技术领域
本发明涉及一种开关电源电路，尤其涉及一种基于CC/CV控制的开关电源电路。
背景技术
开关电源最早起源于上世纪50年代初，美国宇航局以小型化、轻量化为目标，为搭载火箭开发了开关电源。在半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。
20世纪80年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。20世纪90年代，开关电源在电子、电气设备、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展时期。历经几十年的不断发展，现代开关电源技术有了重大的进步和突破。
目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。直流开关稳压电源具有体积小、重量轻等特点，但其往往也存在着纹波大、电压过冲及振铃等问题。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于CC/CV控制的开关电源电路。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于CC/CV控制的开关电源电路，包括Buck电路、降压控制器、电流采集电路、电压采集电路、双电平欠压锁定电路、打嗝限流电路、软启动保护电路、同步振荡器、补偿电路、斜坡电路、自举电路、输入滤波电路和输出滤波电路。
输入电压先经过输入滤波电路，再连接Buck电路；输入滤波电路同时连接双电平欠压锁定电路，双电平欠压锁定电路连接降压控制器；打嗝限流电路、软启动保护电路、接同步振荡器、补偿电路、斜坡电路和自举电路均连接于降压控制器；Buck电路通过门级电阻连接于降压控制器；电流采集电路连接Buck电路与降压控制器，电压采集电路连接Buck电路与降压控制器；Buck电路经输出滤波电路输出电压。
第一电感的电感值L计算公式为：
进一步地，降压控制器为LM5117芯片，双电平欠压锁定电路连接于LM5117芯片的UVLO端口；LM5117芯片的RES端口连接打嗝限流电路；LM5117芯片的SS端口连接软启动保护电路；LM5117芯片的RT端口连接同步振荡器；LM5117芯片的FB、COMP端口连接补偿电路；LM5117芯片的RAMP、SW端口连接斜坡电路；LM5117芯片的VCC、HB、SW端口连接自举电路；Buck电路通过第一门级电阻连接于LM5117芯片的HO端口，通过第二门级电阻连接于LM5117芯片的LO端口。
进一步地，Buck电路由第一晶体管、第二晶体管和第一电感构成。电流采集电路由第一电阻构成；电压采集电路由第二电阻、第三电阻、第四电阻和第一电容构成。双电平欠压锁定电路由第五电阻、第六电阻和第二电容构成。打嗝限流电路由第三电容构成；软启动保护电路由第四电容构成；同步振荡器由第七电阻构成；补偿电路由第五电容、第六电容和第八电阻构成；斜坡电路由电容第七电阻和第九电阻构成；自举电路由第八电容、第九电容和第一二极管构成。输入滤波电路由第十电容和第十一电容构成；输出滤波电路由第十二电容、第十三电容和第十四电容构成。
有益效果：本发明开关电源采用降压控制器LM5117芯片和CSD18532KCS MOS场效应管为核心器件，针对高频开关电源存在的过冲及振铃问题对电源进行优化设计。该电路功能强大，性能指标优良，具有较高的实用价值。
附图说明
图1是本发明所述的基于CC/CV控制的开关电源电路框图；
图2是本发明所述的基于CC/CV控制的开关电源电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示是本发明所述的基于CC/CV控制的开关电源电路框图，包括以下电路模块：Buck电路1、降压控制器2、电流采集电路3、电压采集电路4、双电平欠压锁定电路5、打嗝限流电路6、软启动保护电路7、同步振荡器8、补偿电路9、斜坡电路10、自举电路11、输入滤波电路12和输出滤波电路13。
降压控制器2选用LM5117芯片，LM5117是一款同步降压控制器，适用于各种输入电源的降压型稳压器应用，具有实现宽输入工作的高效高电压降压型稳压器所必要的功能。其控制方法基于采用仿真电流斜坡的电流模式控制。电流模式控制具有固有的输入电压前馈、逐周期电流限制和简化环路补偿的功能。使用仿真控制斜坡可降低脉宽调制电路对噪声的敏感度，有助于实现高输入电压应用所必需的极小占空比的可靠控制。
各电路模块的具体连接为：输入电压先经过输入滤波电路12，再连接Buck电路1；输入滤波电路12同时连接双电平欠压锁定电路5，双电平欠压锁定电路5连接于LM5117芯片的UVLO端口；LM5117芯片的RES端口连接打嗝限流电路6；LM5117芯片的SS端口连接软启动保护电路7；LM5117芯片的RT端口连接同步振荡器8；LM5117芯片的FB、COMP端口连接补偿电路9；LM5117芯片的RAMP、SW端口连接斜坡电路10；LM5117芯片的VCC、HB、SW端口连接自举电路11；Buck电路1通过门级电阻R10、R11连接于LM5117芯片的HO、LO端口；电流采集电路3、电压采集电路4连接Buck电路1与LM5117芯片；Buck电路1的输出端经输出滤波电路13输出电压。
本发明的基于CC/CV控制的开关电源电路的工作原理是：输入电压经输入滤波电路12滤波后，再由Buck电路1降压，电流采集电路3、电压采集电路4采集输出电流电压，作为反馈信号发送到降压控制器2，降压控制器2输出PWM波控制Buck电路1的晶体管通断，得到需要的输出电压，通过输出滤波电路13输出稳定电压。
如图2所示是基于CC/CV控制的开关电源电路的电路图。其中，Buck电路1由第一晶体管Q1、第二晶体管Q2和第一电感L1构成。晶体管选用CSD18532KCS MOS场效应管。第一晶体管Q1通过第一门级电阻R10连接到LM5117芯片的HO端口，第二晶体管Q2通过第二门级电阻R11连接到LM5117芯片的LO端口，门级电阻用于减缓开关节点上升沿。
造成振铃的根本原因在于MOS管的高速开断将过剩的能量注入到电路的寄生原件中，本发明通过降低MOS管的开通速度对振铃问题进行优化。在MOS管的栅极加入零欧姆的门级电阻，减缓开关节点的上升沿，同时为了避免降低MOS管的关断速度，造成不必要的开关损耗，对MOS管增设自举电阻。
Buck电路中电感值L的大小是关键，其计算公式如下：
电流纹波比r如式1：
其中，ΔI为电感电流的变化幅值，IC为电感电流波形中心值。
开关电源纹波电流ΔI如式2：
其中，tCN为脉冲导通时间，VON为输出电压，在Buck电路中IC＝IO，IO为电感电流，即输出电流，D＝tON/t＝tON×f。
由式1和2得到电感L如式3：
如式4所示为伏秒法则：
D×VON＝(1-D)×(VO+VD) 4
其中，D为占空比，Vo为晶体管的电压降，VIN为输入电压，VON＝VIN-VO。
可推导得出系统PWM波占空比如式5：
由式3和5得到电感L如式6：
电流采集电路3由第一电阻R1构成，用于检测电流反馈给降压控制器。电压采集电路4由第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第一电容C1构成，用于检测电压反馈给降压控制器；其中，第二电阻R2和第一电容C1还构成RC缓冲器，消除振荡，降低振铃峰值。
双电平欠压锁定电路5由第五电阻R5、第六电阻R6和第二电容C2构成。输入电压经输入滤波，并经双电平欠压锁定电路5为LM5117芯片供电。LM5117内部包含一个双电平欠压锁定电路(UVLO)，用于控制芯片的关断与启动。
打嗝限流电路6由第三电容C3构成，用于对电路进行限流保护，电路进入打嗝模式，减缓对电路的冲击，电容值的大小决定打嗝的时间。软启动保护电路7由第四电容C4构成，该电容值决定软启动时间，表示达到最终稳压值的输出电压持续时间。同步振荡器8由第七电阻R7构成，为外部同步振荡器，用于设置LM5117的开关频率。补偿电路9由第五电容C5、第六电容C6和第八电阻R8构成，为II型环路补偿电路，用于配置误差放大器增益和相位特性，以产生一个稳定的电压环路。斜坡电路10由第七电容C7和第九电阻R9构成，为正斜率斜坡电路，用于仿真电感电流斜坡信号。自举电路11由第八电容C8、第九电容C9和第一二极管D1构成，位于芯片HB、SW端口的自举电容为晶体管提供栅极电流，并为自举二极管提供恢复电荷，自举电容的值至少是0.1uF，为低ESR陶瓷电容器。
输入滤波电路12由第十电容C10和第十一电容C11构成，用于减少输入电压纹波对电路的影响。输出滤波电路13由第十二电容C12、第十三电容C13和第十四电容C14构成，电容相当于恒定的电压源，在电路里起到滤波的作用。
在此电路图的基础上进行PCB设计、焊接并调试。高速的电压切换需要在PCB设计时注意功率器件的摆放，本发明对输入电容和功率管的摆放进行优化设计，尽可能地缩短输入电容阳极端和控制管漏极间的距离以及输入电容阴极端和同步管源极间的距离。缩短功率管与输入电容之间的距离将减小两者之间的寄生电感，抑制开关节点上的振铃电压。在实际制作中使用陶瓷电容作为输入电容，其具有较低的等效串联电感。
测试项目及结果如表1所示，电源额定输出电压实测5.01v，最大输出电流3.3A。从测试结果可以看出，该电路输出噪声纹波小、负载调整率及电压调整率低。同时电路还具有过流保护功能，动作电流实测3.22A，可进入打嗝状态。电源的效率″η″≥85％，可达92.88％。
表1

Claims (8)

1.一种基于CC/CV控制的开关电源电路，其特征在于：包括Buck电路(1)、降压控制器(2)、电流采集电路(3)、电压采集电路(4)、双电平欠压锁定电路(5)、打嗝限流电路(6)、软启动保护电路(7)、同步振荡器(8)、补偿电路(9)、斜坡电路(10)、自举电路(11)、输入滤波电路(12)和输出滤波电路(13)；
其中，输入电压先经过输入滤波电路(12)，再连接Buck电路(1)；输入滤波电路(12)同时连接双电平欠压锁定电路(5)，双电平欠压锁定电路(5)连接降压控制器(2)：
打嗝限流电路(6)、软启动保护电路(7)、接同步振荡器(8)、补偿电路(9)、斜坡电路(10)和自举电路(11)均连接于降压控制器(2)；
Buck电路(1)通过门级电阻连接于降压控制器(2)；电流采集电路(3)连接Buck电路(1)与降压控制器(2)，电压采集电路(4)连接Buck电路(1)与降压控制器(2)；Buck电路(1)经输出滤波电路(13)输出电压。
2.根据权利要求1所述的基于CC/CV控制的开关电源电路，其特征在于：降压控制器(2)为LM5117芯片，双电平欠压锁定电路(5)连接于LM5117芯片的UVLO端口；
LM5117芯片的RES端口连接打嗝限流电路(6)；LM5117芯片的SS端口连接软启动保护电路(7)；LM5117芯片的RT端口连接同步振荡器(8)；LM5117芯片的FB、COMP端口连接补偿电路(9)；LM5117芯片的RAMP、SW端口连接斜坡电路(10)；LM5117芯片的VCC、HB、SW端口连接自举电路(11)；
Buck电路(1)通过第一门级电阻(R10)连接于LM5117芯片的HO端口，通过第二门级电阻(R11)连接于LM5117芯片的LO端口。
3.根据权利要求1所述的基于CC/CV控制的开关电源电路，其特征在于：Buck电路(1)由第一晶体管(Q1)、第二晶体管(Q2)和第一电感(L1)构成。
4.根据权利要求3所述的基于CC/CV控制的开关电源电路，其特征在于：第一电感(L1)的电感值L的计算公式为：
电流纹波比r如式1：
r = Δ I I C - - - 1
其中，ΔI为电感电流的变化幅值，IC为电感电流波形中心值；
开关电源纹波电流ΔI如式2：
Δ I = V O N × t O N L - - - 2
其中，tON为脉冲导通时间，VON为输出电压；在Buck电路中Ic＝IO，IO为输出电流，D＝tON/t＝tON×f；
由式1和2得到电感L如式3：
L = V O N × D I O × f × r - - - 3
伏秒法则如式4：
D×VON＝(1-D)×(VO+VD) 4
其中，D为占空比，VO为晶体管的电压降，VIN为输入电压，VON＝VIN-VO；
可得占空比D如式5：
D = V O + V D V I N + V D - - - 5
由式3和5得到电感L如式6：
L = ( V I N - V o ) × V o + V D V I N + V D I o × f × r . - - - 6
5.根据权利要求1所述的基于CC/CV控制的开关电源电路，其特征在于：电流采集电路(3)由第一电阻(R1)构成；电压采集电路(4)由第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)和第一电容(C1)构成。
6.根据权利要求1所述的基于CC/CV控制的开关电源电路，其特征在于：双电平欠压锁定电路(5)由第五电阻(R5)、第六电阻(R6)和第二电容(C2)构成。
7.根据权利要求1所述的基于CC/CV控制的开关电源电路，其特征在于：打嗝限流电路(6)由第三电容(C3)构成；软启动保护电路(7)由第四电容(C4)构成；同步振荡器(8)由第七电阻(R7)构成；补偿电路(9)由第五电容(C5)、第六电容(C6)和第八电阻(R8)构成；斜坡电路(10)由电容第七电阻(C7)和第九电阻(R9)构成；自举电路(11)由第八电容(C8)、第九电容(C9)和第一二极管(D1)构成。
8.根据权利要求1所述的基于CC/CV控制的开关电源电路，其特征在于：输入滤波电路(12)由第十电容(C10)和第十一电容(C11)构成；输出滤波电路(13)由第十二电容(C12)、第十三电容(C13)和第十四电容(C14)构成。
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