利用LM3478設(shè)計50W DC-DC升降壓變換器

引言

　　現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展很快，半導(dǎo)體供應(yīng)商不斷推出新器件，從而推動電子應(yīng)用工程師的不斷創(chuàng)新設(shè)計，以滿足市場的日益需求。本文介紹的即是基于客戶的需求，應(yīng)用美國國家半導(dǎo)體公司的新型電流型PWM芯片LM3478及基于SEPIC升降壓原理實現(xiàn)的50W DC-DC 適配器。該適配器的主要特點是：直流輸入電壓范圍極寬；輸出功率大；保護功能全；輸出紋波小；效率高；工作穩(wěn)定可靠；應(yīng)用范圍廣。

　　SEPIC型變換器

　　SEPIC的電氣原理簡圖如圖1所示。

通常稱之為升降壓變換器SEPIC的簡單原理如下：當(dāng)SW開通時，加在L1，L2上的電壓均為Vin，此時Cp并在L2上，且有Cp上的電壓與L2上的相等。當(dāng)SW關(guān)斷時，L1中的電流繼續(xù)沿著Cp、D1流向Cout輸出到負載，同時L2的電流也流向D1、Cout輸出到負載。在此期間，通過L1、L2的電壓均等于輸出電壓Vout。由SEPIC的原理可推出基本關(guān)系式：Vout/Vin＝D/(1-D)。式中D為占空比，且忽略SW及L1等的壓降。

　　LM3478

　　LM3478芯片的主要特點：

　　·寬輸入電壓:2.79—40VDC

　　·高工作頻率:100KHz—1MHz

　　·微型封裝:MSOP-8

　　·驅(qū)動電流:1A

　　·內(nèi)部限制:OCP,OVP,LVP,OTP

　　·工作溫度:-40℃—+125℃

　　50W DC-DC變換器設(shè)計

　　該變換器的主要技術(shù)要求：

　　直流輸入電壓范圍：9-60VDC

　　輸入電流：＜6A(9VDC)

　　直流輸出電壓：12VDC±%

　　直流輸出電流：3.5A

　　輸出紋波電壓：＜100mV RMS

　　額定功率：42W

　　峰值功率：50W

　　電源效率：典型值85%；滿負載

　　保護型式：電流限制功率保護

　　輸出過流保護：＜4.2A

　　輸出過壓保護：由LM3478控制

　　工作溫度范圍: -20℃—＋70℃

　　安規(guī)及EMC符合國際標準

　　高可靠性MTBF＞100,000小時

　　外型及尺寸：塑殼式；102×46×25(mm)

　　50W DC-DC 變換器的電氣原理圖如圖2所示。

該電路是基于SEPIC拓撲、應(yīng)用LM3478芯片按照客戶的技術(shù)要求設(shè)計的。在該電路中，考慮到適配器的體積及儲能電感磁性材料的體積，選定工作頻率Fs＝250KHz。

　　計算儲能電感L3、L4的電感量及磁芯選擇

　　首先由公式：D＝Vout/(Vout+Vin)計算占空比。由于最嚴酷條件下的電感紋波電流是在最大輸入電壓下，所以D＝12/(12+60)≈0.167。

　　計算儲能電感l(wèi)3、L4：正常情況下，L4的大小在確保最小負載電流下使電感電流連續(xù)，且輸出紋波滿足指標要求。為此，我們假定在20%最小負載電流下，允許有40%的峰-峰值紋波電流流過L4。

　　C1、C2為輸入濾波，Q1、DZ1、DZ2、D1-1構(gòu)成啟動電源，L3、L4為儲能電感，Q2為功率MOSFET，IC為PWM驅(qū)動芯片，R5為頻率調(diào)整電阻，C3、C4、R2為反饋補償，R3、R4為反饋分壓電阻，R7為過電流取樣電阻，C8、C9為SEPIC電容，R8、R9、C6、C7為吸收網(wǎng)絡(luò)，D2為輸出整流二極管，C10、C11、C12為輸出濾波電容。當(dāng)然要想符合EMC要求，輸入端還應(yīng)該有共模電感，差模電感，及X、Y等安規(guī)電容。

　　L＝V×dt/di；

　　其中dt＝1/Fs×D＝1/(250×103)×0.167≈0.668，V為Vin在MOSFET開通時的值。因此，有如下計算：

　　L4＝60×(0.668×10-6/0.4)＝100.2μH。取100μH的標稱值。由該SEPIC原理及設(shè)計經(jīng)驗可知，作為倆個分離的儲能電感，L3的取值也為：100μH。

　　由于該電感為儲能電感，因此，對磁性材料的選取要特別注意。此處選擇的材料為：Magnetic公司的Kool Mu，相同性能的材料，其他公司又稱鐵硅鋁。參數(shù)如下：

　　·料號：77381-A7，黑色

　　·尺寸：17.27×9.65×6.35(mm)，為環(huán)型磁芯

　　·電感因數(shù)AL：43(nH/N2)，N為圈數(shù)

　　由公式：L＝AL×N2，可以計算出電感圈數(shù)為：

　　48圈，且用AWG18號線繞制。L3、L4相同參數(shù)。

　　·Magnetic公司的Kool Mu材料，損耗少，相對成本低，也可以選同規(guī)格其他廠商鐵硅鋁材料。如果想進一步降低成本也可以選用國產(chǎn)的鐵硅鋁材料。

　　上述L3、L4為兩個分離電感設(shè)計，也可以共用一個儲能磁環(huán)，只是此時由于耦合電感的存在，計算的電感值為上述值的一半，為50μH。但成本低些。

　　PCB注意事項

　　由于為高頻DC-DC變換,因此，PCB布線很重要。區(qū)分功率地與信號地的匯流點，驅(qū)動IC與MOSFET的關(guān)系，輸入濾波與輸出濾波的位置等。同時注意分離元件及貼片元件的位置關(guān)系。還要考慮散熱器的形狀及散熱面積。

　　關(guān)鍵元器件的選擇及說明

　　功率MOSFET的選擇：N-FET，極低導(dǎo)通電阻，低門極驅(qū)動電壓：5V—7V，符合PWM-IC要求，TO-220AB封裝，100V/85A，結(jié)溫175℃。型號為VISHAY：SUP85N10-10。

　　肖特基整流二極管的選擇：型號為MBR20100CT，封裝為TO-220AB，100V/20A，正向壓降低。

　　輸入、輸出濾波電解電容可由計算公式或經(jīng)驗選取。C8、C9可由計算公式或?qū)嶒炦x擇。取樣電阻的參數(shù)可由計算及實驗來確定。

　　樣機調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題及解決方法

　　按照上述原理及計算參數(shù)進行PCB的焊接及調(diào)試。發(fā)現(xiàn)問題如下：

　　·由LM3478芯片的特點及典型的EPIC應(yīng)用來看，比較適合功率等級20W以下的DC-DC變換器。而此處設(shè)計成50WDC-DC變換器，發(fā)現(xiàn)PWM驅(qū)動MOSFET有些困難，波形畸變及MOSFET功耗大，解決的方法為：在IC的6腳與MOSFET的柵極之間加入一級驅(qū)動放大，即由NPN和PNP對管組成的放大級。

　　·L3、L4均取100μH的電感量在工作時發(fā)現(xiàn)：在輸出輕載或空載時，輸出紋波過大。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)由電感L3引起的，根據(jù)經(jīng)驗及分析將L3的電感量降為50mH即可解決問題。

　　·IC的2引腳COMP對地的補償參數(shù)C3、C4、R2：若按典型參數(shù)試驗，發(fā)現(xiàn)樣機有噪聲且不穩(wěn)定，經(jīng)試驗將C2去掉，結(jié)果沒有噪聲且工作穩(wěn)定。

　　·取樣電阻R7：由于IC的特點使取樣電阻的閥值很低，而且該DC-DC的功率相對較大，致使取樣電阻R7的選取比較困難，為了降低成本選用微阻抗電阻。

　　結(jié)語

　　通過對該DC-DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)及驅(qū)動IC的選擇，設(shè)計出了滿足技術(shù)要求的50W適配器，雖然調(diào)試過程中遇到了一些問題，經(jīng)過試驗分析得到了解決。從實際應(yīng)用來看，用此原理設(shè)計出50W的電源已經(jīng)很有優(yōu)勢了。下一步還要考慮EMC及安規(guī)問題來滿足國際市場的要求。實驗表明，該適配器可用于寬輸入電壓范圍的DC-DC變換器及對蓄電池充電的場合。