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基于控制器LM2727的高速同步降压开关稳压器设计

来源:    作者:    发布时间:2015-04-06 11:09:21    浏览量:

若峰-峰值输出电流纹波为负载电流的40%,所需要的电感值则为1.5μH。输出电感器必须能够处理峰-峰值电流(即Io+ΔIo/2=10A+2A=1电感元件2A)因此L1可选用Coilcraft的DO5022-152HC电感器,其电感值为1.5μH,额定电流为15A,DC电阻为4mΩ,尺寸为22.35×16.26×18(mm)。

3.4 输出电容器选择

输出电容器C01~3用作控制输出电压纹波ΔVo并在负载快速变化期间施加负载电流。输出纹波电压ΔVo和纹波电流ΔIo决定允许最大ESR,即

电感规格

RESR(max)=ΔVo/ΔIo

为了保持2%的峰-峰值输出电压纹波和40%的峰-峰值电感电流纹波,最大ESR值为RESR(max)=1.2×0.2V/10A×0.4=6mΩ。CO1~3可选用Sanyo的10MV5600AX,用三个这样的电容器相并联,总电容为16.8mF,总RESR=18mΩ/3=6mΩ。

3.5 频率设置电阻Rfadj选择

LM2727的开关频率由IC引脚FREQ上的外部接地电阻Rfadj设置。由于选择fsw=300kHz,Rfadj值为

13.gif

3.7 控制环路补偿元件选择

连接在LM2727引脚EAO和FB之间的RC1、CC1和CC2组成控制环路的补偿网络,用作改善误差放大器DC增益和频带宽度BW。选择RC1=229kΩ、CO1=4.7PF、CO2=270PF,可以获得63°的相补角和29.3kHz的带宽。

3.8 输出电压设置元件选择

连接在IC反馈脚FB上的电阻分压器Rfb1/Rfb2用作感测输出电压,也用来设置输出电压值。IC脚FB内部门限为0.6V,因此可得:

14.gif  

可以选择Rfb1=Rfb2=10kΩ。

3.9 电流限制电阻RCS选择

LM2727通过引脚ISEN感测Q2上的电压来限制输出电流。在低端开关Q2导通时,IC内部一个50μA的电流通过RCS,RCS值为:

RCS=RDSON(Q2)×ILIM/50μA

上式中:RDSON(Q2)为低端开关导通电阻;ILIM为限制电流。若Q2的RDSON(Q2)为10mΩ,ILIM为15A(当有足够余地),RCS则为3KΩ,可以选用3.3KΩ的标准电阻。

3.10 软启动电容C工字电感SS选择

LM2727脚SS上的外部接地电容CSS,用作设置软启动时间tss,计算公式为

CSS=tss/2.5×105

像微处理器等需要的延时一般为3ms,因此Css可以选用12nF/25V的电容器,例如Vishay的V71206X123Kxx,尺寸为1206。

3.11 功率MOSFET与自举二极管选择

在计算电流限制电阻时,电流限制值设定在15A,MOSFET的导通电阻不大于10mΩ,据此Q1和Q2可选用差模电感Vishay公司的Si442DY型功率MOSFET。

连接在Vin与IC脚BOOT之间的自举二极管D1,可选用30V的BAT-54型肖特基二极管。

3.12 效率的计算

DC-DC开关稳压器的效率取决于系统总功率损耗,MOSFET功率损耗在总功率损耗中居支配地位。

电感生产

(1)MOSFET的功率损耗

MOSFET的功率损耗包括导通损耗、栅极充电损耗和开关损耗。

MOSFET的导通损耗PCnd为

PCnd=D(Io2RDSONK)+(1-D)( Io2RDSONK)

上式中:因数K=1.3;Si4442DY的RDSON=4.1mΩ;IO=10A;D=0.24。据此可得:RCnd=0.533W。

MOSFET的开关损耗Psw为

Psw=0.5VinIo(tr+tf)fsw

上式中:Si4442DY的上升时间tr=11ns,下降时间tf=47ns,Vin=5V,fsw=300kHz,因此可得Psw=0.435W。

MOSFET的栅极充电损耗RGC为

RGC=nVccQGSfsw

上式中:n为MOSFET数量,n=2;QGC为栅极电荷,Si4442DY的QGC=36nC。按上式计算的结果是PGC=0.108W。

MOSFET的总功率损耗PC(Q1,Q2)为

PC(Q1,Q2)=PCnd+PSW+PGC=0.533W+0.435W+0.108W=1.076W

(2)输入电容器损耗

输入电容器功率损耗RCin可根据下式计算:

15.gif  

上式中,n为电容器个数,n=2;RESR=18mΩ;I2rms-rip=4.27A。计算结果为PCin=0.082W。

(3)输入电感器损耗

DC输入电流IIN-DC为

IIN-DC=IOD/η=10A×0.24/0.85=2.82A

输入电感器损耗PLin为

PLin=I2IN-DCRDC(Lin)=(2.82A)2×7mΩ=0.055W

(4)输出电感器损耗

输出电感器DC电阻RDC(L1)=4mΩ,其功率损耗RL1为

PL1=I2ORDC(L1)=(10A)2×4mΩ=0.4W

(5)LM2727芯片损耗

LM2727芯片电压VCC=5V,工作电流IQ-VCC=2mA,功率损耗PIC为

PIC=IQ-vcc VCC=2mA×5V=0.01W

此外,输出电容器形成降压开关变换器功率级的另一半,在计算效率时可以不考虑其损耗。

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