原创使用LM2677制作的3V至24V数控可调恒压源(2)

 2016-6-1 17:58  1230 24 24 分类: MCU/ 嵌入式文集: 硬件小模块

大电流器件的说明

（这一小节的内容，参看LM2677的用户手册更好哈~~）

LM2677可提供5A的负载电流，它的外围功率器件也必须达到至少5A负载能力，而且在大电流开关稳压器的应用中，器件的选择上还有其他一些要十分注意的地方。（虽然关于器件的选择理由，这一部分内容在用户手册中十分晦涩，但是读懂了之后会获益良多～～作为数字电路设计偏多的人，这一部分俺已经看了多遍，可还是在半懂不懂之间～～）

在LM2677的应用电路中，电感是key component，它在开关周期的ON时段存储能量，在OFF时段释放能量。假设LM2677工作始终工作在连续电流状态，也就说说通过电感的电流始终不为零。电感的取值，必须能够将最大纹波电流maintain在最大负载电流的30%。如果纹波电流超过了30%这个限度，那么就需要选择更大的电感值了。Renco公司的ferrite stick core inductor（铁氧体棒芯电感），Pulse Engineering公司（现在是pulse electronics公司）的powered iron toroid core inductor（铁粉环形铁芯电感），以及Coilcraft公司的ferrite drum core inductor（铁氧体磁芯电感），它们具备unique characteristics，可用在此处。直插或表贴的封装均可使用。

输出电容，用来平滑输出电压，同时也用来存储能量。输出电容（with an associated equivalent series resistance, ESR），对输出电压的纹波和control loop的稳定性都有影响。输出电压的纹波，主要由电容的ESR和电感的ripple current决定。选择输出电容的时候，要选择那些ESR ratings小一些的。直插或表贴的封装均可使用。

输出电容和电感，作用在LM2677内部的控制环上，与之构成了一个double pole的反馈网络，输出电容和它自身的ESR又构成了一个zero。这些影响，加上内部的频率补偿电路，使LM2677的闭环控制系统的零极点发生移位。选择输出电容的一个general rule是unity gain bandwidth of the circuit要限制在开关频率的one-sixth以下。LM2677的fixed switching frequency是260KHz，因此unity gain bandwidth of the circuit需要被限制在40KHz以下。在某些情况下，需要将多个输出电容并联，从而降低输出电容的ESR，同时减少纹波，并增加输出电容值来降低闭环的unity gain bandwidth。并联起来的电容，必须具备完全一样的特性。此外，RMS电流和working voltage也是选择输出电容必须考虑的因素。在一个典型的buck开关稳压器中，电感纹波电流（less than 30%最大负载电流）就是通过输出电容的电流值。电容RMS电流rating必须要大于电感纹波电流。电容的耐压值，必须在输出电压的1.3倍以上。

输入电容，作用是给开关稳压器提供额外的电流，并平滑输入电压。与输出电容类似，RMS电流和working voltage也是相当重要的。通过输入电容的RMS电流，几乎为最大dc负载电流的一半，电容必须能handle这个电流。多个电容并联，能增大总的电流rating。耐压值同样必须在输入电压的1.3倍以上。输入电容需要被放置在靠近LM2677的地方，因为高速变化的大电流和输入线的串联阻抗，会在输入线上导致ringing信号，从而影响输出以及其他电路部分。因此有必要增加一个0.1uF～0.47uF的ceramic电容，与输入电容并联使用。

当power switch处在OFF状态时，电感里面仍然有电流流动，这个电流将通过环流catch diode释放到地平面上。正向偏置的catch diode将输出电压钳位在less than grand上。这个电压需要小于－1V，因此推荐使用Schottky二极管。整体的效率极大的受catch diode损失掉的能量影响。通过catch diode的电流受duty circle（D）的影响，并且等于load current * （1 － D）。使用更大电流的diode，有利于减少电压drop和功率损耗。

大电流器件的选择

梳理了理论之后，接下来就是实际挑选器件了。由于这次制作的数控恒压源需要工作在5A负载电流下，所以器件的选择也是以此为基准。以大负载电流而选择的器件搭建的电路，工作在小负载电流时，因为switch frequency的占空比较小，而出现的discontinuous mode，进而会导致输出电压上的ringing信号。好在小负载电流情况下，后级电路的滤波措施也会比较简单，所以器件仍然以最大负载电流的情况来选择。

首先需要计算inductor Volt-microsecond constant(E·T expressed in V·uS)

E·T = (VinMAX – VOUT – VSAT) * (VOUT + VD) / (VinMAX – VSAT + VD)) * (1000 / 260)

= (24 – VOUT – 0.75) * (VOUT + 0.5) / (24 – 0.75 + 0.5) * (1000 / 260)

= (23.25 – VOUT) * (VOUT + 0.5) * 0.16194

While VSAT(voltage drop of Rds) = 0.15Ω * 5A = 0.75V

While VD(voltage drop of Schottky diode) = 0.5V

当VOUT为20V时，E·T＝10.79。查阅用户手册上面的FIGURE6，可知电感的值应为L41-22uH。再查阅电感厂家的最新供货信息，有Renco公司的RL-1238-22（air core），pulse electronic公司的P0850，以及Coilcraft公司的PCH-45-223（铁氧体直插式）。它们的外型见下图：（这三家公司的电感，在国内市场上比较少见，即使有，价格也稍高。如果对参数要求不是那么严格，可以选择一款普通大电流磁环电感，淘宝一下，很多很多哦～）

不同厂家的电容特性不一样，这里以Nichicon为例，查阅手册上面的TABLE6，可知输出电容应该选择C15-220uF-25V(35V)，数量为1即可，无需多个并联。

输入电容的RMS电流参数需要取dc load电流的1/2以上，如果dc load为5A（若是24V输入，20V输出，再加上90%的效率，那么输入电流几乎就等于负载电流了，取它的1/2），则RMS电流参数为2.5A，耐压值取35V。因此输入电容可取Nichicon的C18-2200uF-35V(50V)。