LM5118应用说明

1、超宽输入电压范围降压和降压升压双模式控制器LM5118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375V，开关频率从5

2、0KHz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。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

3、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VIN<10V，内部低压差开关将会使Vcc直接与VIN相连接，并且VccVIN。当VIN >10V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375V。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

4、。 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415V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

5、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

6、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=575V；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

7、：   （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=10H。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： &

8、#160;   （4）   因此，L1应选择10H，饱和电流至少为15A。（3）电流传感电阻RS的选取IC12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、60;      （9）在此选取tss=12ms，C4容值可选择0.1F。 （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，R

10、11000VIN（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=956s，根据式（12）可以选择C12=0.1F。（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IO

11、UT（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：COUT141F。输出电容ESR（max）=VOUT/IPK=50mV/13.34A=3.8m。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180F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)=1.5AIRMS(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2.2F、100V的陶瓷电容器相并联。4、结束语NS公司近期