如何設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的恒流恒功率恒壓穩(wěn)壓降壓轉(zhuǎn)換器電源

1.前言

在上一篇《如何設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的恒流恒壓轉(zhuǎn)換器 》的文章中，討論了如何設(shè)計(jì)恒流/恒壓轉(zhuǎn)換器 (CC/CV)。通過(guò)添加簡(jiǎn)單的修改，可以修改功能以調(diào)節(jié)輸出功率并在恒功率 (CP) 限制內(nèi)運(yùn)行，因?yàn)檩敵鲭妷涸?CC 運(yùn)行模式下發(fā)生變化。本文章討論了使用 LM5117 降壓控制器的電流監(jiān)視器 (CM) 功能設(shè)計(jì) CC/CP/CV 轉(zhuǎn)換器所需的簡(jiǎn)單修改。

2.應(yīng)用實(shí)例

在 CC 工作模式下，輸出電壓隨著負(fù)載電阻的增加而增加，因此，隨著流入負(fù)載的電流被調(diào)節(jié)，輸出功率將線性增加。然而，一些應(yīng)用需要隨著輸出電壓的增加而降低輸出電流，從而限制輸送到負(fù)載的功率。通過(guò)對(duì)使用 LM5117 的 CC/CV 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行簡(jiǎn)單修改，可以在較寬的輸出電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)相對(duì)平坦的功率限制。

CC/CP/CV的實(shí)現(xiàn)方法

圖 1 顯示了 CC/CP/CV 轉(zhuǎn)換器的典型分立實(shí)施方式。CC/CV 轉(zhuǎn)換器與 CC/CP/CV 轉(zhuǎn)換器的區(qū)別在于增加了一個(gè)前饋電阻 (Rff)。  

?F igure 1個(gè)典型的分立實(shí)施一個(gè)CC / CP / CV轉(zhuǎn)換器的

輸出電流調(diào)節(jié)

LM5117 有一個(gè) CM 引腳。當(dāng)轉(zhuǎn)換器在連續(xù)導(dǎo)通模式下工作時(shí)，CM 引腳上的電壓 (VCM AVE ) 與輸出電流成正比。通過(guò)使用從 VCM AVE到地的電阻分壓器并將分壓器抽頭點(diǎn)連接到 LM5117 的反饋節(jié)點(diǎn)，您可以控制輸出電流。公式 1 表示 CM 引腳上的電壓與輸出電流之間的關(guān)系：

其中 Rs 是電流檢測(cè)電阻，As 是內(nèi)部電流檢測(cè)放大器增益。

CM 引腳上的電壓 (VCM AVE ) 與 LM5117 反饋節(jié)點(diǎn)上的電壓 (Vfb) 之間的關(guān)系由電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，并用公式 2 表示。

結(jié)合等式 1 和 2 并重新排列輸出電流，我們可以看到輸出電流是如何由從 CM 到 Vfb 的反饋電阻控制的。這如公式 3 所示。

CP編程

Rff 用于抵消 VCM AVE，因?yàn)?/span> Vout 通過(guò)向 Vfb 注入電流而變化。在更高的輸出電壓下，更多的電流通過(guò) Rff 注入 Vfb，這會(huì)降低 VCM AVE。從等式 1 中可以看出，VCM AVE控制輸出電流 (Iout)，通過(guò)降低 VCM AVE，我們可以隨著輸出電壓的增加而降低調(diào)節(jié)后的輸出電流。公式 4 計(jì)算VCM AVE處的電壓降低 (Voff CM ) ：

Rff 與輸出電壓呈線性關(guān)系，輸出電壓與 Iout 呈線性關(guān)系。因?yàn)槲覀儗?shí)際上是對(duì) Vfb 求和，所以給定輸出電壓范圍內(nèi)的功率限制將是非線性的。 

例如，考慮到 60W 功率限制和 6V 至 12V 輸出電壓范圍的要求，我們可以計(jì)算功率級(jí)組件。建議功率級(jí)元件選擇最高Iout 10A，對(duì)應(yīng)最低輸出電壓6V，功率限制60W。根據(jù)我們的計(jì)算，我們確定 Rs = 12mΩ 和 As = 8.5。請(qǐng)注意，在 CS 和 CSG 處通過(guò)外部 200Ω 串聯(lián)電阻降低了 LM5117 的 As。有關(guān)連接到這些引腳的串聯(lián)電阻如何降低電流檢測(cè)增益的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱 LM5117 數(shù)據(jù)表。

作為起點(diǎn)，選擇 RTop CM和 RBot CM 的值，它們將產(chǎn)生的最大調(diào)節(jié)輸出電流是 10A 指定調(diào)節(jié)電流的 1.4 倍，該電流出現(xiàn)在最小輸出電壓下。這個(gè)建議是基于這樣一個(gè)事實(shí)，即 Rff 會(huì)降低 VCM AVE，如前文所述，因此會(huì)降低 Iout。

例如，對(duì)于 6V 輸出的 60W 功率限制，將 10A 乘以 1.4，產(chǎn)生 14A 的穩(wěn)定輸出電流。為 RBot CM選擇 10kΩ并重新排列公式 3 以計(jì)算 ~25kΩ 的 Rtop CM。為 Rtop CM選擇 25.5kΩ 的標(biāo)準(zhǔn)值。

公式 5 計(jì)算在最小 Vout 處引入的誤差量，并用作 Rff 的良好起始值：

通過(guò)增加RFF在最小Vout的，你需要確保這個(gè)錯(cuò)誤是從VCM減去AVE通過(guò)確保在VCM誤差等于VCM AVE。使公式 5 等于公式 4 并重新排列 Rff，如公式 6 所示：

評(píng)估公式 6 得出 Rff = 167kΩ。為 Rff 選擇 155kΩ 的標(biāo)準(zhǔn)值。使用公式 4，計(jì)算6V 輸出時(shí)的Voff CM = 0.855V。

公式 7 顯示了所得的 VCM AVE，它是通過(guò)從公式 2 中減去公式 4 來(lái)確定的：

對(duì)于此處給出的示例，VCM AVE =1.985V

VCM AVE控制輸出電流，該電壓隨著輸出電壓的增加而降低。公式 8 顯示了穩(wěn)壓輸出電流 (Iout adj )、VCM AVE和 Voff CM之間的關(guān)系。

評(píng)估公式 8 可得出在 6V 輸出時(shí)的 Iout adj = 10.053。

將公式 8 與輸出電壓相乘計(jì)算輸出功率，如公式 9 所示：

在哪里

計(jì)算公式 10 計(jì)算出 Pout = 60.13W。

我建議使用公式 7、8 和 9 來(lái)檢查給定輸出電壓范圍的功率限制，以確保功率限制曲線適合您特定應(yīng)用的需要。您可以調(diào)整 Rff 和 RTop CM來(lái)修改給定輸出電壓范圍的功率限制曲線。

圖 2 顯示了使用示例中的值隨電壓增加的功率限制圖。如前所述，CP 調(diào)節(jié)并不是精確恒定的，但本示例中的功率變化在整個(gè)工作范圍內(nèi)小于 ±7%。

圖 2：作為輸出電壓函數(shù)的功率限制曲線

參見(jiàn)圖 1，電壓鉗電路使用 LM4041 電壓基準(zhǔn)。LM4041 與其他參考電壓相比是獨(dú)一無(wú)二的，因?yàn)樗膮⒖茧妷?Vfb 設(shè)置在 LM4041 的陰極和參考引腳之間，而不是陽(yáng)極和參考引腳（分別以陰極和陽(yáng)極參考電壓參考）。這對(duì)于該特定應(yīng)用是有利的，因?yàn)樗趶?CP 到 CV 控制的過(guò)渡期間最大限度地減少了 Rff 和 R1 之間的相互作用。

作為陰極參考，LM4041 允許電壓參考打開(kāi)，而不會(huì)在轉(zhuǎn)換期間引入錯(cuò)誤。通過(guò)使用 LM4041，最終結(jié)果是當(dāng)轉(zhuǎn)換器從 CP 變?yōu)?CV 調(diào)節(jié)時(shí)輸出電壓的微小變化，這完全基于為 RTop VC和 RBot VC選擇的值。

公式 11 設(shè)置電壓鉗位設(shè)置點(diǎn)：

LM5117 的 CC/CP/CV 設(shè)計(jì)

使用 LM5117 的 CC/CP/CV 轉(zhuǎn)換器功率級(jí)的設(shè)計(jì)方法與基本降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方法相同。還可以查看 LM5117 數(shù)據(jù)表以獲取有關(guān)降壓功率級(jí)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)。

示例示意圖

圖 3 顯示了 6V 至 12V 的 48V 輸入、60W 功率限制 LM5117，輸出電壓限制器 (Vclamp) 設(shè)置為在 12.5V 時(shí)工作。

圖 3：5V 至 12V 功率限制為 60W 且電壓鉗位設(shè)置為 12.5V 的示例原理圖

圖 4 顯示了作為 Iout 函數(shù)的測(cè)得效率。

圖 4：基于圖 3 的降壓轉(zhuǎn)換器的效率

圖 5 顯示了作為輸出電壓函數(shù)的測(cè)得功率限制曲線。

圖 5：功率限制配置文件

（我進(jìn)一步降低了 Rff 以將功率限制保持在 60W 以下，為 Rff 選擇了 150kΩ 的最終值。）

圖 6 顯示了作為 Iout 函數(shù)的測(cè)得輸出電壓。轉(zhuǎn)換器的檢測(cè)電阻 (Rs) 設(shè)置圖表右側(cè)的最大電流。請(qǐng)注意，Rs 的值會(huì)影響功率調(diào)節(jié)變化。

圖 6：作為 Iout 函數(shù)的輸出電壓變化

圖 7 顯示了測(cè)量的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn) (CH3)、Vout 紋波 (CH1) 和輸出電流 (CH4) 在 48Vin、6.6Vout 在 Iout > 8A。

圖 7：穩(wěn)態(tài)示波器鏡頭

圖 8 顯示了在 48V 輸入電壓下測(cè)得的瞬態(tài)響應(yīng)，其中 Vout (CH1)、Iout (CH4) 和負(fù)載階躍從 3.8A 到 5.7A (0.1A/μs)。

圖 8：瞬態(tài)響應(yīng)范圍鏡頭

3.結(jié)論

LM5117 配置為 CC/CP/CV 轉(zhuǎn)換器，通過(guò)向 CC/CV 轉(zhuǎn)換器添加 Rff 電阻器，為輸出電壓范圍提供功率限制配置文件。這種設(shè)計(jì)方法相對(duì)簡(jiǎn)單并且具有減小尺寸、成本和功率損耗的優(yōu)點(diǎn)。