如何设计一个简单的恒流恒压降压转换器

1.前言

DC-DC 转换器通常作为恒压 (CV) 稳压器实现。无论输入电压和负载电流如何变化，控制回路都会调整占空比以保持恒定的输出电压。

恒流 (CC) 转换器以相同的方式调节电流：无论输入电压和输出电阻如何变化，控制回路都会调整占空比以保持恒定的输出电流。输出电阻的变化会导致输出电压随着负载电阻的变化而调整；输出电阻越高，输出电压越大。

CC/CV 转换器将根据输出电阻水平调节电流和电压。

许多应用限制了最大输出电阻和产生的输出电压，以便连接到输出的组件不会被损坏，这就是恒压调节起作用的地方。CC/CV 转换器使用的一些示例是驱动发光二极管 (LED) 或为电池或超级电容器充电的应用。电流针对一系列输出电阻进行调节；如果电阻增加超过一定水平，则电压被调节或“钳位”。

输出电压精度可能至关重要，尤其是在电池应用和超级电容器充电器中。精确的电压调节可以实现更多的能量存储，因为您可以将电压调节点设置为尽可能接近存储设备的最大安全工作电压额定值。

2.实现 CC/CV 的传统方法

图 1 概述了 CC/CV 转换器的典型分立实施方式。该转换器需要一个检测电阻器 (Rsense)、一个放大器和一个电压调节电路 (Vz)。流经 Rsense 的电流设置了 RFB 两端的电压，这是控制器的反馈电压。以此方式，电流被调节。随着 Rout 的增加，输出电压上升到齐纳二极管导通的点，器件从 CC 转换器转换为 CV 转换器。

图 1：采用降压拓扑的 CC/CV 实现

正如我所提到的，通过 Rsense 的电流设置反馈电压，从而调节输出电流。公式 1 表示输出电流与 VFB 之间的关系：

假设有电阻负载，公式 2 控制输出电压：

公式 3 设置电压调节水平：

如图 1 所示， 齐纳二极管在 CV 模式下调节电压。使用齐纳二极管作为电压钳位会产生相对较差的电压精度性能，因为器件与器件之间的齐纳电压存在差异。有时串联使用两个齐纳二极管以防止漏电流从阴极流到阳极，如果存在漏电流会导致电流调节环路出现错误。

传统方法的缺点

传统方法需要使用与输出串联的检测电阻来检测电流。因此，电阻损耗会影响效率；公式 4 显示了检测电阻器中的损耗：

更高的损耗会增加工作温度并降低系统效率，因为电阻器将让所有输出电流流过它。成本也会增加，因为与小信号电阻相比，低毫欧电流检测电阻相对昂贵。

放大器的共模电压范围需要额定为最大输出电压。高输出电压可能会增加放大器的成本。为了帮助节省成本，您可以使用浮动偏置电源来降低共模电压范围要求，但这会增加组件数量。

图 1 所示的解决方案有许多缺点，包括增加的设计复杂性、所需的电路板空间、成本和对系统效率的影响。

3.使用 LM5117 的简单 CC/CV 方法

LM5117 是一款仿真峰值电流模式同步降压控制器，适用于大电流、宽降压转换。在 CC/CV 应用中使用 LM5117 的主要好处是它具有电流监视器 (CM) 功能。CM 引脚提供与降压功率级的输出电流成正比的准确电压。您可以将 CM 引脚用作电流环路反馈，从而节省传统方法所需的额外电流检测电路。如果转换器设置为强制脉宽调制 (FPWM) 或处于连续导通模式，则 CM 引脚上的电压精确到 ±2%。图 2 显示了使用 LM5117 的基本 CC/CV 稳压器实现。

图 2：LM5117 CC/CV 基本实现

CC编程

公式 5 描述了 CM 电压和 Iout 之间的关系：

公式 6 简化了公式 5：

如您所见，CM 引脚使您能够省略输出端的串联功率耗散电流检测电阻器。Rs 是功率级的电流检测电阻，用于为电流模式脉宽调制 (PWM) 环路生成斜坡。As 是 LM5117 的电流检测放大器增益，其典型值为 As = 10。

例如，假设 Iout = 10A 且 Rs = 10mΩ。使用公式 6：

设置从 CM 引脚到地的电阻分压器网络并将分压器节点连接到反馈引脚设置电流调节点。当 CM 引脚为 2V 时，选择合适的电阻分压比将设置电流调节电平。要为 10A 电流调节设置电阻分压器值，请选择 RFBb = 10kΩ 并使用公式 7 计算 RFBt：

这产生了 15kΩ 的 RFBt 值。

请记住，将电阻从 Rs 和接地分别放置到 Cs 和 Csg 所引起的 As 减少考虑在内。有关与电流检测引脚串联的电阻如何影响内部电流检测放大器增益的更多详细信息，请参阅 LM5117 数据表。

CV 编程是通过使用 LMV431 作为电压钳位实现的。假设电压钳位电平为 12V。BAT54 两端的正向压降 Vfwd 为 0.5V，LM5117 的 FB 电压为 0.8V。当 R1 两端的电压等于使用公式 8 计算的电压时，电压钳位起作用：

因此，VR1 = 1.3V。

LMV431 参考引脚上的电压需要高于 VR1 的参考电压。LMV431 的参考电压为 1.24V，因此 LMV431 参考引脚上的电压等于使用公式 9 计算的电压：

因此，LMV431 需要 Vref = 2.54V 才能将电流从其阴极传导到阳极。

选择 RBot VC = 10kΩ 并使用公式 10计算 RTop VC：

4.LM5117 的电源设计

使用 LM5117 的 CC/CV 转换器电源部分的设计方法与基本降压转换器的设计方法相同。我们还可以参考 LM5117 数据表以获取有关降压功率级设计的指导。

示例示意图

图 3 显示了使用 LM5117 的 30V 至 54V 输入、27V-at-6A 输出 CC/CV 实现。

图 3：使用 LM5117 的 30V 至 54V 输入、27V-at-6A 输出 CC/CV 转换器

结果

图 4 显示了输出电阻增加时的效率结果。

图 4：30Vin 时的效率

图 5 显示了负载调节和电压设定点随着输出电阻的增加。

图 5：30Vin 下的负载调整率随着 Rload 的增加（Vout/Iout）

图 6 显示了 30Vin、25Vout 和 6A 时的开关节点 (CH3)、Vout 纹波 (CH1) 和输出电流 (CH4)。

图 6：稳态波形

图 7 显示了将恒定电阻负载从 60Ω 步进到 120Ω 时的负载瞬态性能 Vout (CH1) 和输出电流 (CH4)。

图 7：负载瞬态性能

5.总结

配置为 CC/CV 转换器的 LM5117 可提供准确的电流调节，同时与传统实施方案相比具有许多优势。这种设计方法相对简单，可以显着降低尺寸、成本和功率损耗。