如何設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的恒流恒壓降壓轉(zhuǎn)換器

1.前言

DC-DC 轉(zhuǎn)換器通常作為恒壓 (CV) 穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)。無論輸入電壓和負(fù)載電流如何變化，控制回路都會(huì)調(diào)整占空比以保持恒定的輸出電壓。

恒流 (CC) 轉(zhuǎn)換器以相同的方式調(diào)節(jié)電流：無論輸入電壓和輸出電阻如何變化，控制回路都會(huì)調(diào)整占空比以保持恒定的輸出電流。輸出電阻的變化會(huì)導(dǎo)致輸出電壓隨著負(fù)載電阻的變化而調(diào)整；輸出電阻越高，輸出電壓越大。

CC/CV 轉(zhuǎn)換器將根據(jù)輸出電阻水平調(diào)節(jié)電流和電壓。

許多應(yīng)用限制了最大輸出電阻和產(chǎn)生的輸出電壓，以便連接到輸出的組件不會(huì)被損壞，這就是恒壓調(diào)節(jié)起作用的地方。CC/CV 轉(zhuǎn)換器使用的一些示例是驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管 (LED) 或?yàn)殡姵鼗虺?jí)電容器充電的應(yīng)用。電流針對(duì)一系列輸出電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)；如果電阻增加超過一定水平，則電壓被調(diào)節(jié)或“鉗位”。

輸出電壓精度可能至關(guān)重要，尤其是在電池應(yīng)用和超級(jí)電容器充電器中。精確的電壓調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)更多的能量存儲(chǔ)，因?yàn)槟梢詫㈦妷赫{(diào)節(jié)點(diǎn)設(shè)置為盡可能接近存儲(chǔ)設(shè)備的最大安全工作電壓額定值。

2.實(shí)現(xiàn) CC/CV 的傳統(tǒng)方法

圖 1 概述了 CC/CV 轉(zhuǎn)換器的典型分立實(shí)施方式。該轉(zhuǎn)換器需要一個(gè)檢測(cè)電阻器 (Rsense)、一個(gè)放大器和一個(gè)電壓調(diào)節(jié)電路 (Vz)。流經(jīng) Rsense 的電流設(shè)置了 RFB 兩端的電壓，這是控制器的反饋電壓。以此方式，電流被調(diào)節(jié)。隨著 Rout 的增加，輸出電壓上升到齊納二極管導(dǎo)通的點(diǎn)，器件從 CC 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為 CV 轉(zhuǎn)換器。

圖 1：采用降壓拓?fù)涞?CC/CV 實(shí)現(xiàn)

正如我所提到的，通過 Rsense 的電流設(shè)置反饋電壓，從而調(diào)節(jié)輸出電流。公式 1 表示輸出電流與 VFB 之間的關(guān)系：

假設(shè)有電阻負(fù)載，公式 2 控制輸出電壓：

公式 3 設(shè)置電壓調(diào)節(jié)水平：

如圖 1 所示， 齊納二極管在 CV 模式下調(diào)節(jié)電壓。使用齊納二極管作為電壓鉗位會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較差的電壓精度性能，因?yàn)槠骷c器件之間的齊納電壓存在差異。有時(shí)串聯(lián)使用兩個(gè)齊納二極管以防止漏電流從陰極流到陽極，如果存在漏電流會(huì)導(dǎo)致電流調(diào)節(jié)環(huán)路出現(xiàn)錯(cuò)誤。

傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)

傳統(tǒng)方法需要使用與輸出串聯(lián)的檢測(cè)電阻來檢測(cè)電流。因此，電阻損耗會(huì)影響效率；公式 4 顯示了檢測(cè)電阻器中的損耗：

更高的損耗會(huì)增加工作溫度并降低系統(tǒng)效率，因?yàn)殡娮杵鲗⒆屗休敵鲭娏髁鬟^它。成本也會(huì)增加，因?yàn)榕c小信號(hào)電阻相比，低毫歐電流檢測(cè)電阻相對(duì)昂貴。

放大器的共模電壓范圍需要額定為最大輸出電壓。高輸出電壓可能會(huì)增加放大器的成本。為了幫助節(jié)省成本，您可以使用浮動(dòng)偏置電源來降低共模電壓范圍要求，但這會(huì)增加組件數(shù)量。

圖 1 所示的解決方案有許多缺點(diǎn)，包括增加的設(shè)計(jì)復(fù)雜性、所需的電路板空間、成本和對(duì)系統(tǒng)效率的影響。

3.使用 LM5117 的簡(jiǎn)單 CC/CV 方法

LM5117 是一款仿真峰值電流模式同步降壓控制器，適用于大電流、寬降壓轉(zhuǎn)換。在 CC/CV 應(yīng)用中使用 LM5117 的主要好處是它具有電流監(jiān)視器 (CM) 功能。CM 引腳提供與降壓功率級(jí)的輸出電流成正比的準(zhǔn)確電壓。您可以將 CM 引腳用作電流環(huán)路反饋，從而節(jié)省傳統(tǒng)方法所需的額外電流檢測(cè)電路。如果轉(zhuǎn)換器設(shè)置為強(qiáng)制脈寬調(diào)制 (FPWM) 或處于連續(xù)導(dǎo)通模式，則 CM 引腳上的電壓精確到 ±2%。圖 2 顯示了使用 LM5117 的基本 CC/CV 穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)。

圖 2：LM5117 CC/CV 基本實(shí)現(xiàn)

CC編程

公式 5 描述了 CM 電壓和 Iout 之間的關(guān)系：

公式 6 簡(jiǎn)化了公式 5：

如您所見，CM 引腳使您能夠省略輸出端的串聯(lián)功率耗散電流檢測(cè)電阻器。Rs 是功率級(jí)的電流檢測(cè)電阻，用于為電流模式脈寬調(diào)制 (PWM) 環(huán)路生成斜坡。As 是 LM5117 的電流檢測(cè)放大器增益，其典型值為 As = 10。

例如，假設(shè) Iout = 10A 且 Rs = 10mΩ。使用公式 6：

設(shè)置從 CM 引腳到地的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)并將分壓器節(jié)點(diǎn)連接到反饋引腳設(shè)置電流調(diào)節(jié)點(diǎn)。當(dāng) CM 引腳為 2V 時(shí)，選擇合適的電阻分壓比將設(shè)置電流調(diào)節(jié)電平。要為 10A 電流調(diào)節(jié)設(shè)置電阻分壓器值，請(qǐng)選擇 RFBb = 10kΩ 并使用公式 7 計(jì)算 RFBt：

這產(chǎn)生了 15kΩ 的 RFBt 值。

請(qǐng)記住，將電阻從 Rs 和接地分別放置到 Cs 和 Csg 所引起的 As 減少考慮在內(nèi)。有關(guān)與電流檢測(cè)引腳串聯(lián)的電阻如何影響內(nèi)部電流檢測(cè)放大器增益的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱 LM5117 數(shù)據(jù)表。

CV 編程是通過使用 LMV431 作為電壓鉗位實(shí)現(xiàn)的。假設(shè)電壓鉗位電平為 12V。BAT54 兩端的正向壓降 Vfwd 為 0.5V，LM5117 的 FB 電壓為 0.8V。當(dāng) R1 兩端的電壓等于使用公式 8 計(jì)算的電壓時(shí)，電壓鉗位起作用：

因此，VR1 = 1.3V。

LMV431 參考引腳上的電壓需要高于 VR1 的參考電壓。LMV431 的參考電壓為 1.24V，因此 LMV431 參考引腳上的電壓等于使用公式 9 計(jì)算的電壓：

因此，LMV431 需要 Vref = 2.54V 才能將電流從其陰極傳導(dǎo)到陽極。

選擇 RBot VC = 10kΩ 并使用公式 10計(jì)算 RTop VC：

4.LM5117 的電源設(shè)計(jì)

使用 LM5117 的 CC/CV 轉(zhuǎn)換器電源部分的設(shè)計(jì)方法與基本降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方法相同。我們還可以參考 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 顯示了使用 LM5117 的 30V 至 54V 輸入、27V-at-6A 輸出 CC/CV 實(shí)現(xiàn)。

圖 3：使用 LM5117 的 30V 至 54V 輸入、27V-at-6A 輸出 CC/CV 轉(zhuǎn)換器

結(jié)果

圖 4 顯示了輸出電阻增加時(shí)的效率結(jié)果。

圖 4：30Vin 時(shí)的效率

圖 5 顯示了負(fù)載調(diào)節(jié)和電壓設(shè)定點(diǎn)隨著輸出電阻的增加。

圖 5：30Vin 下的負(fù)載調(diào)整率隨著 Rload 的增加（Vout/Iout）

圖 6 顯示了 30Vin、25Vout 和 6A 時(shí)的開關(guān)節(jié)點(diǎn) (CH3)、Vout 紋波 (CH1) 和輸出電流 (CH4)。

圖 6：穩(wěn)態(tài)波形

圖 7 顯示了將恒定電阻負(fù)載從 60Ω 步進(jìn)到 120Ω 時(shí)的負(fù)載瞬態(tài)性能 Vout (CH1) 和輸出電流 (CH4)。

圖 7：負(fù)載瞬態(tài)性能

5.總結(jié)

配置為 CC/CV 轉(zhuǎn)換器的 LM5117 可提供準(zhǔn)確的電流調(diào)節(jié)，同時(shí)與傳統(tǒng)實(shí)施方案相比具有許多優(yōu)勢(shì)。這種設(shè)計(jì)方法相對(duì)簡(jiǎn)單，可以顯著降低尺寸、成本和功率損耗。