智能型多通道DC?DC变换器设计

摘 要： 采用多种智能型电压转换芯片，根据每个芯片的不同特征参数，搭建不同性能需求的电压转换电路；该设计由光电耦合器、三极管、PMOS管搭建切换电路，实现适配器供电与电池组供电的自动、快速切换；利用FPGA输出的高低电平控制由三极管和PMOS管搭建的开关电路，实现对部分供电通道的智能通断控制。该变换器已应用于微波探测仪的供电系统中，经测试表明该变换器具有效率高、纹波电压低、良好的稳态和动态响应的优点。

关键词： 智能控制； FPGA； DC/DC转换器； 电源切换

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）22?0152?04

微波探测仪因其可以应用于反恐防暴、灾后救援等领域而受到人们的广泛重视，作为一种电子设备，电源在其中的地位不言而喻。因其需要多种电压值供电，所以DC/DC变换器就成为必不可少的部分[1?2]。为给探测仪供电，设计了该变换器。主要指标为：输入电压范围22～29.4 V，额定输出电压电流分别是15 V、1.5 A，12 V、1.2 A，5 V、0.85 A，-5 V、0.09 A，电压稳定度为±5%，负载调整率小于1%，纹波系数为±2%，纹波电压抑制比大于0.80，效率大于70%。

1 概 述

本文首先通过一个切换电路实现适配器供电与电池组供电的自动切换，而后直接给各通道电压转换芯片供电，转换芯片将电源电压转换成负载需要的电压值[3]。由于12 V和5 V通道不需要持续供电，所以增加了智能控制，由FPGA实现。各通道中用到的电压转换芯片有：LM5117[4]是一款同步降压控制器，频率可在50～750 kHz范围内设定。5.5～65 V的宽电压输入范围，输出电流可达12 A以上，轻负载条件下效率较高。LM25088[5]是一款高压异步buck型控制器。4.5～42 V的宽电压输入范围，最大输出电流可达7 A，甚至更高，在50 kHz～1 MHz范围内频率可调。MAX764[6]是一款高效率宽负载反向转换器。输入电压范围3～16 V，最大输出电流250 mA。开关频率高达300 kHz。由其特征知，满足本文设计要求。

2 硬件电路

2.1 切换电路

切换电路如图1所示，工作原理为：只有电池组供电时，电池组正极通过R51，U14，R54，R56接地，电阻R56上的分压触发三极管U9（2N5551）导通，使电池组正极通过R55和R52接地，R55上分压加在Q10（IRF9530）栅极和源极之间，使其导通，电池组给负载供电。根据U9特性，选定R51为6.2 kΩ，R54为3 kΩ，R56为47 kΩ。结合Q10参数以及电池组电压变动范围，设定电阻R52为15 kΩ，R55为20 kΩ。当适配器接到A点时，使光耦3管脚和4管脚导通，电池组通过电阻R51被短路；此时，只有适配器给负载供电。光耦选用导通电流为16 mA的TLP521，R53选择10 kΩ。

2.2 15 V电压输出电路

2.2.1 工作原理

LM5117包含一个内部高电压偏置稳压器，为PWM控制器和NMOS栅极驱动器提供了VCC偏置电源。其内部还包含一个双电平UVLO电路，当VCC电压超过自身UV阈值且UVLO电压高于UVLO阈值时，HO和LO驱动器被启用。直到VCC电压和UVLO都低于自身UV阈值时，或芯片温度超过热关断阈值时断续模式被激活。UVLO电压拉低时可提供非常低的静态关断电流，实现故障保护功能。LM5117包含几个大电流NMOS驱动器和

一个相关的高边电平转换器，以驱动外部高边Q16器件。这个高边栅极驱动器与一个外部二极管D26及一个自举电容C27配合工作。为了满足持续供电需要，将RES管脚直接接至VCC管脚，使得重启定时器被禁用，稳压器在非断续模式逐周期电流限制下工作。其原理图见图2。

2.2.2 重要器件参数确定

定时电阻：开关频率通过RT引脚和地之间电阻来设定，本文设置的开关频率是100 kHz，可由式（1）计算得到RT的阻值为51.1 kΩ。选择标准值51 kΩ。

[R23=5.2×109fSW-948] （1）

滤波电感：通常情况下，20～40%的满载电流是在磁芯损耗和电感铜损之间一个很好的折中方案。为了平滑输出的纹波电压，输出电容要承担更大的负荷。本设计中，选择的纹波电流为7 A的40%。已知开关频率、最大纹波电流、最大输入电压和额定输出电压，电感值可由式（2）计算得到26.23 μH，L选择接近标准值的22 μH。

[LO=VOUTIPPMAXfSW×1-VOUTVINMAX] （2）

功率MOSFET[7]：本设计施加在NMOS器件的最大漏?源电压为29.4 V。选定的NMOS器件必须能够承受29.4 V电压以及来自漏?源极的所有振铃。为此，选用STP36NF06。

2.3 +12 V电压输出电路

工作原理：鉴于12 V通道与15 V通道电路所选择的电压芯片是相同的，虽然所选元器件参数略有不同，但是基本原理都是一样的，所以就不再赘述。不同的是12 V供电通道负载对精度要求比较高，在输出端口增加了磁珠设计，提高它的抗干扰能力。

2.4 +5 V电压输出电路

2.4.1 工作原理

LM25088控制方法采用仿真电流斜坡的电流模式控制。峰值电流控制模式提供了内在线电压前馈，逐周期电流限制和易于循环补偿功能。LM25088?2为过载保护提供了一个通用重启定时器。其原理图如图3所示。

2.4.2 重要器件确定

定时电阻：通过R31的阻值大小可以改变LM25088振荡器的开关频率，因为开关频率为287.5 kHz。

由式（3）计算得到21.041 kΩ，选用21 kΩ的标准电阻值。

[R31=1287.5 kHz-280 ns152 pF] （3）

滤波电感：滤波电感值的计算采用公式（2），选择的纹波电流为3 A的40%。计算得12.03 μH，所以选择标准电感值为10 μH的滤波电感。

功率MOSFET选择：NMOS管的选择与15 V通道中的选择完全一致，就不再赘述。

2.5 -5 V电压的实现

电路采用MAX764芯片设计，结构简单易于实现，完全采用手册中的典型设计即可满足要求，所以这里不再给出电路图。

2.6 智能控制电路

电路如图1虚框中所示，其工作原理和元器件的选择与切换电路相同，只是在B点接FPGA控制信号端口，接锂电池处换成12 V或5 V电路输出端，输出端子接12 V或5 V负载[8?9]。

3 测试结果

经过调试电源转换器功能正常。根据上述性能指标，分别对其中的四路通道进行了测试[10]，部分实测数据如表1所示，结果如表2所示。图4给出了转换器的实物图，图5为部分电路额定电流输出时的纹波电压截图，图6是部分电路在额定电流下输出端电压随着输入电压改变的变化曲线图。

4 结 语

本文设计的DC/DC变换器采用了新的转换芯片和电源切换电路；整个电路设计结构简单、性能稳定、响应速度快，调压精度高；切换电路能够迅速实现供电方式的相互切换；智能通断控制由FPGA实现，对供电通道的通断控制，方便灵活易于修改，极大地提高了整个电路的扩展性能。该变换器成功应用于微波探测仪中，效果良好。表明该设计拥有实用价值，具有一定的借鉴意义。

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