利用LM3478設(shè)計(jì)50W DC-DC升降壓變換器
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(dòng)電子應(yīng)用工程師的不斷創(chuàng)新設(shè)計(jì),以滿足市場(chǎng)的日益需求。本文介紹的即是基于客戶的需求,應(yīng)用美國(guó)國(guó)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(shí)現(xiàn)的50WDC-DC適配器。該適配器的主要特點(diǎn)是:直流輸入電壓范圍極寬;輸出功率大;保護(hù)功能全;輸出紋波??;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(jiǎn)圖如圖1所示。
通常稱之為升降壓變換器SEPIC的簡(jiǎn)單原理如下:當(dāng)SW開通時(shí),加在L1,L2上的電壓均為Vin,此時(shí)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(shí),L1中的電流繼續(xù)沿著Cp、D1流向Cout輸出到負(fù)載,同時(shí)L2的電流也流向D1、Cout輸出到負(fù)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(diǎn):
寬輸入電壓:2.79―40VDC
高工作頻率:100KHz―1MHz
微型封裝:MSOP-8
驅(qū)動(dòng)電流:1A
內(nèi)部限制:OCP,OVP,LVP,OTP
工作溫度:-40℃―+125℃
50WDC-DC變換器設(shè)計(jì)
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:<100mVRMS
額定功率:42W
峰值功率:50W
電源效率:典型值85%;滿負(fù)載
保護(hù)型式:電流限制功率保護(hù)
輸出過流保護(hù):<4.2A
輸出過壓保護(hù):由LM3478控制
工作溫度范圍:-20℃―+70℃
安規(guī)及EMC符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)
高可靠性MTBF>100,000小時(shí)
外型及尺寸:塑殼式;1024625(mm)
50WDC-DC變換器的電氣原理圖如圖2所示。
該電路是基于SEPIC拓?fù)?、?yīng)用LM3478芯片按照客戶的技術(shù)要求設(shè)計(jì)的。在該電路中,考慮到適配器的體積及儲(chǔ)能電感磁性材料的體積,選定工作頻率Fs=250KHz。
計(jì)算儲(chǔ)能電感L3、L4的電感量及磁芯選擇
首先由公式:D=Vout/(Vout+Vin)計(jì)算占空比。由于最嚴(yán)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(jì)算儲(chǔ)能電感l(wèi)3、L4:正常情況下,L4的大小在確保最小負(fù)載電流下使電感電流連續(xù),且輸出紋波滿足指標(biāo)要求。為此,我們假定在20%最小負(fù)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(dòng)電源,L3、L4為儲(chǔ)能電感,Q2為功率MOSFET,IC為PWM驅(qū)動(dòng)芯片,R5為頻率調(diào)整電阻,C3、C4、R2為反饋補(bǔ)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=Vdt/di;
其中dt=1/FsD=1/(250103)0.167≈0.668,V為Vin在MOSFET開通時(shí)的值。因此,有如下計(jì)算:
L4=60(0.66810-6/0.4)=100.2μH。取100μH的標(biāo)稱值。由該SEPIC原理及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知,作為倆個(gè)分離的儲(chǔ)能電感,L3的取值也為:100μH。
由于該電感為儲(chǔ)能電感,因此,對(duì)磁性材料的選取要特別注意。此處選擇的材料為:Magnetic公司的KoolMu,相同性能的材料,其他公司又稱鐵硅鋁。參數(shù)如下:
料號(hào):77381-A7,黑色
尺寸:17.279.656.35(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=ALN2,可以計(jì)算出電感圈數(shù)為:
48圈,且用AWG18號(hào)線繞制。L3、L4相同參數(shù)。
Magnetic公司的KoolMu材料,損耗少,相對(duì)成本低,也可以選同規(guī)格其他廠商鐵硅鋁材料。如果想進(jìn)一步降低成本也可以選用國(guó)產(chǎn)的鐵硅鋁材料。
上述L3、L4為兩個(gè)分離電感設(shè)計(jì),也可以共用一個(gè)儲(chǔ)能磁環(huán),只是此時(shí)由于耦合電感的存在,計(jì)算的電感值為上述值的一半,為50μH。但成本低些。
PCB注意事項(xiàng)
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(hào)地的匯流點(diǎn),驅(qū)動(dòng)IC與MOSFET的關(guān)系,輸入濾波與輸出濾波的位置等。同時(shí)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(dòng)電壓:5V―7V,符合PWM-IC要求,TO-220AB封裝,100V/85A,結(jié)溫175℃。型號(hào)為VISHAY:SUP85N10-10。
肖特基整流二極管的選擇:型號(hào)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(jì)算公式或經(jīng)驗(yàn)選取。C8、C9可由計(jì)算公式或?qū)嶒?yàn)選擇。取樣電阻的參數(shù)可由計(jì)算及實(shí)驗(yàn)來確定。
樣機(jī)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題及解決方法
按照上述原理及計(jì)算參數(shù)進(jìn)行PCB的焊接及調(diào)試。發(fā)現(xiàn)問題如下:
由LM3478芯片的特點(diǎn)及典型的EPIC應(yīng)用來看,比較適合功率等級(jí)20W以下的DC-DC變換器。而此處設(shè)計(jì)成50WDC-DC變換器,發(fā)現(xiàn)PWM驅(qū)動(dòng)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(jí)驅(qū)動(dòng)放大,即由NPN和PNP對(duì)管組成的放大級(jí)。
L3、L4均取100μH的電感量在工作時(shí)發(fā)現(xiàn):在輸出輕載或空載時(shí),輸出紋波過大。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由電感L3引起的,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(duì)地的補(bǔ)償參數(shù)C3、C4、R2:若按典型參數(shù)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)樣機(jī)有噪聲且不穩(wěn)定,經(jīng)試驗(yàn)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(diǎn)使取樣電阻的閥值很低,而且該DC-DC的功率相對(duì)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(duì)該DC-DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)IC的選擇,設(shè)計(jì)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(yàn)分析得到了解決。從實(shí)際應(yīng)用來看,用此原理設(shè)計(jì)出50W的電源已經(jīng)很有優(yōu)勢(shì)了。下一步還要考慮EMC及安規(guī)問題來滿足國(guó)際市場(chǎng)的要求。實(shí)驗(yàn)表明,該適配器可用于寬輸入電壓范圍的DC-DC變換器及對(duì)蓄電池充電的場(chǎng)合。
評(píng)論