摘要：本文首先對(duì)比了穩(wěn)壓電源中線性穩(wěn)壓電源與開關(guān)穩(wěn)壓電源的應(yīng)用特性，介紹了開關(guān)電源芯片LM25576的主要特性和原理框圖，給出了使用LM25576進(jìn)行MCU電源設(shè)計(jì)的方案及主要元器件參數(shù)的計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：LM25576；開關(guān)穩(wěn)壓電源；MCU

1、序言

設(shè)計(jì)者在進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，一般都選用線性穩(wěn)壓器件作為MCU的電壓調(diào)節(jié)和穩(wěn)壓器件，但是線性穩(wěn)壓器件（如78xx系列三端穩(wěn)壓器件）在應(yīng)用中需要將較高的直流電壓經(jīng)過降壓電路降低到MCU供電所需要的工作電壓。造成線性穩(wěn)壓電源在工作時(shí)會(huì)造成相當(dāng)大的“熱損耗”（損耗功率=電壓降*電流），由此其工作效率最高才能達(dá)到50%[1]。發(fā)熱量大，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮散熱問題，間接地給嵌入式系統(tǒng)增加熱噪聲。

與線性穩(wěn)壓電源不同的是：開關(guān)穩(wěn)壓電源通過電路控制開關(guān)管的高速導(dǎo)通與截止。因此，開關(guān)穩(wěn)壓電源只有兩種工作狀態(tài)：導(dǎo)通與截止，導(dǎo)通時(shí)電流大但是管壓降低，關(guān)斷時(shí)沒有電流流過。因此，該類器件的功耗極低，其效率甚至可以達(dá)到90%[3]。相比線性開關(guān)電源，開關(guān)穩(wěn)壓電源大大的降低了熱損耗，因此，使用開關(guān)穩(wěn)壓電源進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)顯而易見，可以極大的減少系統(tǒng)的熱噪聲，從而減少對(duì)系統(tǒng)中如MCU、模擬器件等易受溫度影響器件的影響。極大的提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。

LM25576系列開關(guān)穩(wěn)壓器因其可靠的工作性能、較高的工作效率和強(qiáng)大的電流輸出能力，正在逐漸的取代線性穩(wěn)壓器件，廣泛的應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，為系統(tǒng)的可靠工作提供堅(jiān)強(qiáng)而有力的保證。

2、LM25576簡介[1]

LM25576是一款易于使用的SIMPLE SWITCHER®系列降壓穩(wěn)壓器，可幫助設(shè)計(jì)工程師利用最少的元器件設(shè)計(jì)和優(yōu)化一款穩(wěn)健的電源。LM25576 器件的輸入電壓范圍為6-42V，通過內(nèi)部集成的170mΩ N溝道MOSFET輸出3A的連續(xù)電流。穩(wěn)壓器利用了仿真電流模式設(shè)計(jì)，可以提供內(nèi)部線性調(diào)節(jié)和精確的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，易于回路補(bǔ)償，且不存在電流模式穩(wěn)壓器低占空比的限制。工作頻率在50kHz至1MHz內(nèi)可調(diào)，以實(shí)現(xiàn)尺寸和效率最優(yōu)化。為減少電磁干擾(EMI)，LM25576的頻率同步引腳允許LM(2)557X系列的多個(gè)集成電路(IC)自同步或與外部時(shí)鐘同步。LM25576通過逐周期限流、短路保護(hù)、熱關(guān)斷和遠(yuǎn)程關(guān)斷等措施保證其可靠性。器件提供功率增強(qiáng)型TSSOP-20封裝，這種封裝有為散熱設(shè)計(jì)的裸露式連接焊盤。

LM25576系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路的主要特性如下[1][2]：

●LM25576Q是通過AEC-Q100 1級(jí)認(rèn)證的汽車級(jí)產(chǎn)品(工作結(jié)點(diǎn)溫度范圍-40℃至+ 125℃)。

●集成式42V，170mΩ N溝道MOSFET。

●寬范圍電壓輸入：6V至42V。

●可調(diào)輸出電壓低至1.225V。

●1.5%反饋參考精度。

●利用單個(gè)電阻實(shí)現(xiàn)工作頻率在50kHz至1MHz內(nèi)可調(diào)。

●主或從頻率同步。

●可調(diào)軟啟動(dòng)。

●仿真電流模式控制架構(gòu)。

●寬帶誤差放大器。

●內(nèi)置各種完善的保護(hù)功能。

●根據(jù)要求可提供通過AEC-Q100 0級(jí)認(rèn)證的汽車級(jí)產(chǎn)品。

●數(shù)據(jù)表.hat is AEC-Q100 （工作結(jié)點(diǎn)溫度范圍-40℃至1500°C)

圖 1 LM25576的功能框圖和典型應(yīng)用

LM25576開關(guān)穩(wěn)壓器提供以最少外部元器件實(shí)現(xiàn)高效、高電壓降壓穩(wěn)壓器的所有必要功能。這個(gè)易于使用的穩(wěn)壓器集成了一個(gè)輸出電流能力為3A的42V N溝道降壓開關(guān)。穩(wěn)壓器控制方法基于利用仿真電流斜坡的電流模式控制。峰值電流模式控制提供固有線性電壓前饋、逐周期限流和簡單的環(huán)路補(bǔ)償。使用仿真控制斜坡后降低了脈沖寬度調(diào)制電路的噪聲敏感度，保證了高輸入電壓場合所必需的極小占空比的可靠處理。工作頻率可通過用戶編程在

50kHz至1MHz之間調(diào)節(jié)。振蕩器同步引腳允許多個(gè)LM25576穩(wěn)壓器自同步或者與一個(gè)外部時(shí)鐘同步。

故障保護(hù)特性包括限流、熱關(guān)斷和遠(yuǎn)程關(guān)斷能力。器件提供TSSOP-20封裝，這種封裝有為散熱設(shè)計(jì)的裸露式焊盤。LM25576的功能框圖和典型應(yīng)用如圖1所示。LM25576可以應(yīng)用于很多場合，能高效降低未經(jīng)調(diào)節(jié)的高輸入電壓。該器件非常適合電信、工業(yè)和汽車的電源總線電壓范圍。

3、LM25576應(yīng)用舉例[1]

3.1 基本應(yīng)用設(shè)計(jì)

由LM25576構(gòu)成的基本穩(wěn)壓電路所需的外圍器件極少，其典型應(yīng)用電路如圖1所示。以下以某嵌入式系統(tǒng)MCU所需電源為例，說明其外部器件的參數(shù)值計(jì)算過程。該系統(tǒng)所需的電源設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

• VOUT=5V

• VIN=7V至42V

• F=300kHz

• 最小輸出電流= 350mA

• 最大輸出電流= 3A

3.1.1 振蕩器匹配電阻計(jì)算

LM25576振蕩器頻率通過連接在RT引腳和AGND引腳之間的單個(gè)外部電阻來設(shè)置。PCB設(shè)計(jì)中，RT電阻要直接與集成電路的引腳(RT和AGND)相連。RT電阻的計(jì)算方法如下：

（公式1）

根據(jù)公式1計(jì)算RT=21KΩ

3.1.2輸出電感的計(jì)算

電感值由工作頻率、負(fù)載電流、紋波電流、最小和最大輸入電壓(VIN(min)，VIN(max))共同決定。為保證電路工作在連續(xù)傳導(dǎo)模式(CCM)，最大的紋波電流IRIPPLE應(yīng)該小于兩倍的最小負(fù)載電流，或者峰-峰值為0.5A。利用這個(gè)紋波電流值，電感(L1)由下式計(jì)算：

圖 2 電感電流波形圖

（公式2）

經(jīng)過計(jì)算和選擇確定電感值為33μH。L1必須針對(duì)峰值電流(IPK+)確定額定值以防止飽和。在正常負(fù)載情況下，電流峰值是最大負(fù)載電流和最大紋波的和。在過載情況下，峰值電流被限制在4.2A的標(biāo)稱值(最大值為5.1A)所選電感(見表1)飽和電流額定值的保守值為6.2A。廠家給出的飽和額定值定義是20℃時(shí)電感降低30%所需的電流。

3.1.3 電容值計(jì)算

選擇電感值后，仿真斜坡電路所需的C3(CRAMP)電容值為：

CRAMP= L×10-5 其中L的單位為亨利，L1值為33μH，推薦C3選值為330pF。

3.1.4 C9, C10計(jì)算

輸出電容C9和C10使電感紋波電流平滑，也為瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)提供電荷源。此設(shè)計(jì)選擇了一個(gè)22μF的陶瓷電容和一個(gè)150μF有機(jī)SP電容。陶瓷電容可提供超低ESR(等效串聯(lián)電阻)以降低輸出紋波電壓和尖峰電壓，而SP電容器則可在小空間內(nèi)為瞬態(tài)負(fù)載提供大容量電容。輸出電壓紋波估計(jì)公式為：

（公式3）

3.1.5 D1的計(jì)算

所有的LM25576應(yīng)用都需要使用肖特基回流二極管。不推薦使用超快二極管，否則可能會(huì)由于反向恢復(fù)電流瞬態(tài)而損壞集成電路。對(duì)于LM25576在高輸入電壓和低輸出電壓場合的應(yīng)用，近乎理想的反向恢復(fù)特性和低壓降是尤為重要的二極管特性。反向恢復(fù)特性決定了每個(gè)周期中當(dāng)降壓開關(guān)導(dǎo)通時(shí)電流浪涌的持續(xù)時(shí)間。對(duì)于每個(gè)周期的開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)降壓二極管的瞬時(shí)峰值功率，肖特基二極管的反向恢復(fù)特性可使其最小化 。使用肖特基二極管時(shí)，引起的降壓開關(guān)損耗會(huì)顯著降低。反向擊穿額定值應(yīng)該參照最大輸入電壓VIN進(jìn)行選擇，而且還應(yīng)增加一定的安全裕度。前向壓降對(duì)于轉(zhuǎn)換效率有重要影響，尤其是低輸出電壓的應(yīng)用場合。不同廠家的二極管"額定"電流相差很大。最壞的情形是假設(shè)短路負(fù)載的狀況。這種情況下二極管幾乎持續(xù)承載輸出電流。對(duì)于LM25576，這個(gè)電流可高達(dá)4.2A(典型值)。假設(shè)一種最壞的情況，二極管有1V的壓降，那么最大的二極管功耗可高達(dá)4.2W。對(duì)于這個(gè)參考設(shè)計(jì)，選擇一個(gè)DPAK封裝的60V肖特基二極管。

3.1.6 C1,C2計(jì)算

在開關(guān)頻率處，穩(wěn)壓器供電電壓具有較大的電源阻抗。必須用高質(zhì)量輸入電容來限制VIN引腳處的紋波電壓，同時(shí)在導(dǎo)通期間提供大部分開關(guān)電流。當(dāng)降壓開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，注入VIN引腳的電流先逐步升到電感電流波形的較低峰值處，再爬坡到峰值，然后在關(guān)斷時(shí)回落到零。在導(dǎo)通期間，注入VIN引腳的平均電流就是負(fù)載電流。輸入電容應(yīng)該與均方根額定電流和最小波紋電相匹配。IRMS> Iout/2較為準(zhǔn)確地估計(jì)了所需的紋波電流額定值。應(yīng)該為輸入濾波器選擇低ESR的高質(zhì)量陶瓷電容。為了容許電容公差和電壓效應(yīng)，將使用兩個(gè)2.2μF，100V的陶瓷電容。如果預(yù)計(jì)在LM25576的最大額定值附近會(huì)出現(xiàn)階躍輸入電壓瞬態(tài)，則應(yīng)該對(duì)器件VIN引腳處的自振和可能的尖峰進(jìn)行仔細(xì)評(píng)估。在這些情況下可能需要一個(gè)額外的阻尼網(wǎng)絡(luò)或者輸入電壓鉗制。

3.1.7 C8，C7，C4，R5，R6

VCC引腳處的電容為VCC穩(wěn)壓器濾除噪聲，保證穩(wěn)定性。推薦電容C8的值不小于0.1μF，而且應(yīng)該選擇高質(zhì)量、低ESR的陶瓷電容。此設(shè)計(jì)選擇了0.47μF的陶瓷電容。

BST和SW引腳之間的自舉電容器提供了在導(dǎo)通狀態(tài)下為降壓開關(guān)柵極充電的柵極電流。推薦C7值為0.022μF，而且應(yīng)該選擇高質(zhì)量、低ESR的陶瓷電容。

SS引腳處的電壓決定了軟啟動(dòng)時(shí)間，也就是參考電壓和輸出電壓達(dá)到最終調(diào)整值的時(shí)間。時(shí)間由下式確定：

（公式4）

此應(yīng)用中選擇C4的值為0.01μF，對(duì)應(yīng)1ms的軟啟動(dòng)時(shí)間。

R5和R6確定輸出電平，二者比例通過下式確定：

（公式5）

對(duì)于5V輸出，R5/R6的值為3.082。電阻應(yīng)該從標(biāo)準(zhǔn)阻值中選擇，最好先從1.0kΩ-10kΩ之間開始選擇。R5為5.11kΩ，R6為1.65kΩ。

3.1.8 R1, R2, C12計(jì)算

分壓器可以連接到SD引腳，為穩(wěn)壓器設(shè)置最小工作電壓Vin(min)。如果需要這個(gè)特性，選擇分壓電阻的最簡單方法是先選擇R1的值(推薦在10kΩ 至100kΩ之間)，然后利用下式計(jì)算R2：

（公式6）

電容器C12為分壓器進(jìn)行濾波。SD引腳的電壓絕不能超過8V，當(dāng)使用外部設(shè)定點(diǎn)分壓器時(shí)，有必要將SD引腳鉗在高輸入電壓狀態(tài)。參考設(shè)計(jì)利用了LM25576的整個(gè)電壓變化范圍(6V至42V)；所以這些元器件可以忽略。SD引腳開路，一旦Vcc欠壓鎖定閾值滿足，LM25576就會(huì)發(fā)生響應(yīng)。

3.1.9 R7, C11計(jì)算

經(jīng)過功率二極管的緩沖網(wǎng)絡(luò)降低了每個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)處的自振和尖峰。過大的自振和尖峰會(huì)導(dǎo)致非正常工作，并將尖峰和噪聲耦合到輸出。超過LM25576或者回流二極管額定值的電壓尖峰會(huì)損壞這些器件。最好通過經(jīng)驗(yàn)方法選擇緩沖網(wǎng)絡(luò)的值。首先，保證緩沖連接的引腳長度非常小。對(duì)于LM25576的典型電流值，選擇5至20Ω的電阻即可。增大緩沖電容會(huì)使阻尼更大，但損耗也更大。為C11選擇在高負(fù)載情況下可給SW引腳波形提供足夠大阻尼的最小電容值。

4、結(jié)束語

經(jīng)產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用表明，相比與三端穩(wěn)壓器件采用LM25576作為MCU穩(wěn)壓電源的方案具有以下的優(yōu)點(diǎn)：減少了嵌入式系統(tǒng)的熱損耗和熱噪聲，提高了穩(wěn)壓電源的工作效率，而且減少了外部電源對(duì)MCU的干擾，保證MCU和系統(tǒng)穩(wěn)定而可靠的運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]http://www.ti.com.cn/product/cn/lm25576

[2] http://www.ti.com.cn/cn/lit/sg/zhct014h/zhct014h.pdf

[3]普利斯曼，比得斯，莫瑞 .開關(guān)電源設(shè)計(jì). 電子工業(yè)出版社

作者：丁云飛，1978年生，高級(jí)工程師，工學(xué)學(xué)士，一直從事高檔數(shù)控機(jī)床、全數(shù)字總線數(shù)控系統(tǒng)及伺服驅(qū)動(dòng)等產(chǎn)品的研發(fā)項(xiàng)目管理及品質(zhì)管理工作。