利用LM3478设计50W DC-DC升降压变换器

引言

　　现代电子技术发展很快，半导体供应商不断推出新器件，从而推动电子应用工程师的不断创新设计，以满足市场的日益需求。本文介绍的即是基于客户的需求，应用美国国家半导体公司的新型电流型PWM芯片LM3478及基于SEPIC升降压原理实现的50W DC-DC 适配器。该适配器的主要特点是：直流输入电压范围极宽；输出功率大；保护功能全；输出纹波小；效率高；工作稳定可靠；应用范围广。

　　SEPIC型变换器

　　SEPIC的电气原理简图如图1所示。

通常称之为升降压变换器SEPIC的简单原理如下：当SW开通时，加在L1，L2上的电压均为Vin，此时Cp并在L2上，且有Cp上的电压与L2上的相等。当SW关断时，L1中的电流继续沿着Cp、D1流向Cout输出到负载，同时L2的电流也流向D1、Cout输出到负载。在此期间，通过L1、L2的电压均等于输出电压Vout。由SEPIC的原理可推出基本关系式：Vout/Vin＝D/(1-D)。式中D为占空比，且忽略SW及L1等的压降。

　　LM3478

　　LM3478芯片的主要特点：

　　·宽输入电压:2.79—40VDC

　　·高工作频率:100KHz—1MHz

　　·微型封装:MSOP-8

　　·驱动电流:1A

　　·内部限制:OCP,OVP,LVP,OTP

　　·工作温度:-40℃—+125℃

　　50W DC-DC变换器设计

　　该变换器的主要技术要求：

　　直流输入电压范围：9-60VDC

　　输入电流：＜6A(9VDC)

　　直流输出电压：12VDC±%

　　直流输出电流：3.5A

　　输出纹波电压：＜100mV RMS

　　额定功率：42W

　　峰值功率：50W

　　电源效率：典型值85%；满负载

　　保护型式：电流限制功率保护

　　输出过流保护：＜4.2A

　　输出过压保护：由LM3478控制

　　工作温度范围: -20℃—＋70℃

　　安规及EMC符合国际标准

　　高可靠性MTBF＞100,000小时

　　外型及尺寸：塑壳式；102×46×25(mm)

　　50W DC-DC 变换器的电气原理图如图2所示。

该电路是基于SEPIC拓扑、应用LM3478芯片按照客户的技术要求设计的。在该电路中，考虑到适配器的体积及储能电感磁性材料的体积，选定工作频率Fs＝250KHz。

　　计算储能电感L3、L4的电感量及磁芯选择

　　首先由公式：D＝Vout/(Vout+Vin)计算占空比。由于最严酷条件下的电感纹波电流是在最大输入电压下，所以D＝12/(12+60)≈0.167。

　　计算储能电感l3、L4：正常情况下，L4的大小在确保最小负载电流下使电感电流连续，且输出纹波满足指标要求。为此，我们假定在20%最小负载电流下，允许有40%的峰-峰值纹波电流流过L4。

　　C1、C2为输入滤波，Q1、DZ1、DZ2、D1-1构成启动电源，L3、L4为储能电感，Q2为功率MOSFET，IC为PWM驱动芯片，R5为频率调整电阻，C3、C4、R2为反馈补偿，R3、R4为反馈分压电阻，R7为过电流取样电阻，C8、C9为SEPIC电容，R8、R9、C6、C7为吸收网络，D2为输出整流二极管，C10、C11、C12为输出滤波电容。当然要想符合EMC要求，输入端还应该有共模电感，差模电感，及X、Y等安规电容。

　　L＝V×dt/di；

　　其中dt＝1/Fs×D＝1/(250×103)×0.167≈0.668，V为Vin在MOSFET开通时的值。因此，有如下计算：

　　L4＝60×(0.668×10-6/0.4)＝100.2μH。取100μH的标称值。由该SEPIC原理及设计经验可知，作为俩个分离的储能电感，L3的取值也为：100μH。

　　由于该电感为储能电感，因此，对磁性材料的选取要特别注意。此处选择的材料为：Magnetic公司的Kool Mu，相同性能的材料，其他公司又称铁硅铝。参数如下：

　　·料号：77381-A7，黑色

　　·尺寸：17.27×9.65×6.35(mm)，为环型磁芯

　　·电感因数AL：43(nH/N2)，N为圈数

　　由公式：L＝AL×N2，可以计算出电感圈数为：

　　48圈，且用AWG18号线绕制。L3、L4相同参数。

　　·Magnetic公司的Kool Mu材料，损耗少，相对成本低，也可以选同规格其他厂商铁硅铝材料。如果想进一步降低成本也可以选用国产的铁硅铝材料。

　　上述L3、L4为两个分离电感设计，也可以共用一个储能磁环，只是此时由于耦合电感的存在，计算的电感值为上述值的一半，为50μH。但成本低些。

　　PCB注意事项

　　由于为高频DC-DC变换,因此，PCB布线很重要。区分功率地与信号地的汇流点，驱动IC与MOSFET的关系，输入滤波与输出滤波的位置等。同时注意分离元件及贴片元件的位置关系。还要考虑散热器的形状及散热面积。

　　关键元器件的选择及说明

　　功率MOSFET的选择：N-FET，极低导通电阻，低门极驱动电压：5V—7V，符合PWM-IC要求，TO-220AB封装，100V/85A，结温175℃。型号为VISHAY：SUP85N10-10。

　　肖特基整流二极管的选择：型号为MBR20100CT，封装为TO-220AB，100V/20A，正向压降低。

　　输入、输出滤波电解电容可由计算公式或经验选取。C8、C9可由计算公式或实验选择。取样电阻的参数可由计算及实验来确定。

　　样机调试中发现的问题及解决方法

　　按照上述原理及计算参数进行PCB的焊接及调试。发现问题如下：

　　·由LM3478芯片的特点及典型的EPIC应用来看，比较适合功率等级20W以下的DC-DC变换器。而此处设计成50WDC-DC变换器，发现PWM驱动MOSFET有些困难，波形畸变及MOSFET功耗大，解决的方法为：在IC的6脚与MOSFET的栅极之间加入一级驱动放大，即由NPN和PNP对管组成的放大级。

　　·L3、L4均取100μH的电感量在工作时发现：在输出轻载或空载时，输出纹波过大。经试验发现由电感L3引起的，根据经验及分析将L3的电感量降为50mH即可解决问题。

　　·IC的2引脚COMP对地的补偿参数C3、C4、R2：若按典型参数试验，发现样机有噪声且不稳定，经试验将C2去掉，结果没有噪声且工作稳定。

　　·取样电阻R7：由于IC的特点使取样电阻的阀值很低，而且该DC-DC的功率相对较大，致使取样电阻R7的选取比较困难，为了降低成本选用微阻抗电阻。

　　结语

　　通过对该DC-DC变换器的拓扑结构及驱动IC的选择，设计出了满足技术要求的50W适配器，虽然调试过程中遇到了一些问题，经过试验分析得到了解决。从实际应用来看，用此原理设计出50W的电源已经很有优势了。下一步还要考虑EMC及安规问题来满足国际市场的要求。实验表明，该适配器可用于宽输入电压范围的DC-DC变换器及对蓄电池充电的场合。