LM5118应用说明

精品文档 1欢迎下载 超宽输入电压范围降压和降压超宽输入电压范围降压和降压 升压双模式控制器升压双模式控制器 LM5118LM5118 及其应用设计及其应用设计 2008 年 10 月 10 日 作者 毛兴武 来源 中国电源博览 93 期 编辑 杨宇 摘要 LM5118 是一种降压和降压 升压双工作模式开关稳压控制器 其输入电压既可 以低于也可以高于输出电压 在两种工作模式之间可以实现平滑转换 它尤其适合于在汽 车电子系统中应用 关键词 LM5118 降压 降压 升压 原理 设计 1 概述 LM5118 是美国国家半导体公司 NS 近期推出的一种高压开关控制器 IC 它仅需要非 常少量的外部元件 就可以构建降压 Buck 或降压 升压 Buck Boost 开关稳压器拓 扑 LM5118 输入电压范围达 3 75V 开关频率从 50KHz 到 500KHz 可编程 LM5118 内含高 端降压 MOSFET 和低端升压 MOSFET 驱动器 能够提供 2A 的峰值电流 LM5118 利用仿真电 流斜坡采用峰值电流模式控制 提供增强的线路前馈和逐周电流限制 并且易于进行环路 补偿 振荡器同步脚允许多个 ML5118 自动同步或同步到外部时钟上 故障保护功能除了电 流限制外 还包含热关闭和遥控关闭能力 2 LM55118 引脚功能及其工作原理 2 1 引脚功能 LM5118 采用 TSSOP 20EP 封装 引脚排列如图 1 所示 附表列示了 LM5118 各个引脚的 功能 精品文档 2欢迎下载 2 2 工作原理 LM5118 的内部结构及其应用电路如图 2 所示 LM5118 含有一个双模式高压线性稳压器 以为 PWM 控制器和 MOSFET 栅极驱动器提供 Vcc 偏置电源 VIN 输入脚可以直接连接到高达 75V 的输入电压上 如果 VIN10V 时 内部低电压降 落开关失能 而 Vcc 稳压器赋能 使 Vcc 保持在 7V 利用双模式稳压器 输入电压范围在 不低于 5V 的启动电压上可以达 3 75V 当 Vcc 脚上的电压超过其欠电压门限 3 7V 并且 UVLO 脚上的电压超过 1 23V 栅极驱 动器输出则使能 软启动时序则开始 一旦 Vcc 脚上电压低于 3 5V 或者 UVLO 脚上的电 压低于 1 13V 栅极驱动器输出则被禁止 精品文档 3欢迎下载 为减小 IC 的功率耗散 可以在 IC 的 VCCX 脚施加一个辅助电源电压 当输出电压为 4 15V 时 VCCX 脚可以直接连接到 VOUT 端 在 VCCX 脚上的电压高于 3 85V 时 Vcc 稳压器截止 内部开关将 VCCX 和 Vcc 连接在一起 以减小内部的功耗 LM5118 含有使能功能 只要引脚 EN 上的电压高于 3V IC 将进入正常操作 当 EN 脚 上的电压低于 0 5V 时 IC 则进入关闭状态 仅消耗不到 10A 的电流 ML5118 在 Buck 或 Buck Boost 双模式下工作 当 VIN VOUT 时 ML5118 工作在 Buck 模式 在该工作模式 Buck 开关 Q1 导通 Boost 开关 Q2 截止 当 Q1 导通时 电感 L1 电流沿向上的斜坡线性增加 并与 VIN VOUT 成正 比 当 Q1 关断时 二极管 D1 导通 电感电流斜降 一阶 Buck 模式传输函数为 VOUT VIN D 其中 D 为 Q1 的占空比 在 Buck 模式 开关占空比低于 75 图 3 所示为 Buck 模式的基本操作 当 VIN 接近 VOUT 时 LM5118 将逐渐过渡到 Buck Boost 模式 在该工作模式的每个开 关周期内 Q1 与 Q2 是同时导通的 如图 4 所示 当 Q1 与 Q2 导通时 电感电流斜升 与 VIN 成正比 在 Q1 和 Q2 关断时 D1 导通 电感电流斜降 一阶 Buck Boost 传输函数为 VOUT VIN D 1 D 其中 D 为 Q1 和 Q2 的占空因数 在 VOUT 12V 的情况下 当 VIN 降至约 15V 时 Q1 占空比达到 75 Q2 开始操作 并 且带一个很小的占空比 随 VIN 进一步减小 Q1 占空比减小 Q2 占空比增加 直到 VIN 降 至 13 2V 时为止 随 VIN 继续降低 LM5118 将从 Buck 模式平滑过渡到 Buck Boost 模式 图 5 示出了开关占空因数随 VIN 降低的变化 3 应用电路主要元件的选取 设图 2 所示的开关稳压器电路的技术要求为 输出电压 VOUT 12V 输入电压 VIN 5 75V 开关频率 f 300KHz 最大输出电流 IOUT 3A 据此让我们来确定 LM5118 外部主要元件的选取 1 振荡器电阻 R3 值的确定 精品文档 4欢迎下载 IC 脚上的接地电阻 R3 设置振荡器开关频率 f R3 值可按下式计算 1 2 电感器 L1 的选择 L1 值在 Buck 和 Buck Boost 模式的计算公式分别为 2 式中 IRip 为电感器峰 峰值纹波电流 选取 IRip 1 2A VIN max 75V VIN min 5V VOUT 12V 因此可得 选取 L1 10 H 根据式 2 和式 3 可得 IRip Buck 3 36A IRip Buck Boost 1 17A 设 L1 电感值容差为 20 在两种模式下的峰值电感电流分别为 4 因此 L1 应选择 10 H 饱和电流至少为 15A 3 电流传感电阻 RS 的选取 精品文档 5欢迎下载 IC 12 脚与脚 13 之间的电阻 RS 为电流传感电阻 其电阻值分别为 6 选取 RS 15 m 4 斜坡电容 C3 的选择 IC 脚上的电容 C3 值决定仿真斜坡电路控制信号斜率 其电容值为 8 C3 选取 330pF 的标准电容值 5 软启动电容 C4 值的选取 C4 值决定软启动时间 tss 计算公式为 9 在此选取 tss 12ms C4 容值可选择 0 1 F 6 R5 与 R6 的选择 R5 与 R6 组成的分压器设置输出电压电平 由于 IC 反馈输入端 FB 脚 上的门限电平 是 1 23V 于是下列关系成立 10 若选取 R6 309 根据式 10 可得 R5 2 7k 7 R1 R2 和 C12 的选择 精品文档 6欢迎下载 IC 脚上连接的 R1 和 R2 设置最低工作电压 VIN UVLO 在 VIN min 5V 情况下 VIN UVLO 4V R1 与 R2 存在下面关系 11 式中 R1 1000VIN max 75 k 若选取 R1 75k 根据式 11 得 R2 22 332k R2 可选取 29 4 k 的标准值 在 打嗝 电流限制期间的关断时间可表示为 12 式中 toff 随 VIN 而变化 若选取 VIN 12V toff 956 s 根据式 12 可以选择 C12 0 1 F 8 二极管 D1 和 D2 的选择 D1 应有尽可能低的正向压降 其反向击穿电压应大于 VIN max 即 75V 额定电 流应大于 IOUT 即 3A 因此 D1 可选择 100V 10A 的肖特基二极管 升压二极管 D1 的额定电压应高于 VOUT 即 12V 额定电流应不低于 IOUT 即 3A D1 可以选择 MBRD1035 型肖特基二极管 9 Q1 和 Q2 的选择 根据 D1 和 D2 的选取原则 Q1 和 Q2 可以选择 Si7148 型 MOSFET 10 输出与输入电容器的选择 在 Buck Boost 模式 最大占空比为 总输出电容为 13 式中 VOUT 为输出电压纹波 取 VOUT 50mV 根据式 13 得 COUT 141 F 输出电容 ESR max VOUT IPK 50mV 13 34A 3 8m 精品文档 7欢迎下载 因此 C9 可选择两个低 ESR 的 47F 陶瓷电容相并联 C10 可选用两个 180 F 的电解电容相 并联 输入电容器的有效值 RMS 额定电流取决于工作模式 计算公式分别如下 14 在 VIN 75V 下 最大占空比 D 50 于是可得 IRMS Buck 1 5A IRMS Buck Boost 4 7A 输入电容 C1 和 C2 应能处理 4 7A 的纹波电流 C1 和 C2 分别可选用 2 个 2 2 F 100V 的陶瓷电容器相并联 4 结束语 NS 公司近期推出的超宽输入电压 3 75V 的 LM5118 采用 TSSOP 20 封装 LM5118 在 Buck 或 Buck Boost 双模式操作 当输入电压低于或