如何设计一个简单的恒流恒功率恒压稳压降压转换器电源

1.前言

在上一篇《如何设计简单的恒流恒压转换器 》的文章中，讨论了如何设计恒流/恒压转换器 (CC/CV)。通过添加简单的修改，可以修改功能以调节输出功率并在恒功率 (CP) 限制内运行，因为输出电压在 CC 运行模式下发生变化。本文章讨论了使用 LM5117 降压控制器的电流监视器 (CM) 功能设计 CC/CP/CV 转换器所需的简单修改。

2.应用实例

在 CC 工作模式下，输出电压随着负载电阻的增加而增加，因此，随着流入负载的电流被调节，输出功率将线性增加。然而，一些应用需要随着输出电压的增加而降低输出电流，从而限制输送到负载的功率。通过对使用 LM5117 的 CC/CV 转换器进行简单修改，可以在较宽的输出电压范围内实现相对平坦的功率限制。

CC/CP/CV的实现方法

图 1 显示了 CC/CP/CV 转换器的典型分立实施方式。CC/CV 转换器与 CC/CP/CV 转换器的区别在于增加了一个前馈电阻 (Rff)。  

˚F igure 1个典型的分立实施一个CC / CP / CV转换器的

输出电流调节

LM5117 有一个 CM 引脚。当转换器在连续导通模式下工作时，CM 引脚上的电压 (VCM AVE ) 与输出电流成正比。通过使用从 VCM AVE到地的电阻分压器并将分压器抽头点连接到 LM5117 的反馈节点，您可以控制输出电流。公式 1 表示 CM 引脚上的电压与输出电流之间的关系：

其中 Rs 是电流检测电阻，As 是内部电流检测放大器增益。

CM 引脚上的电压 (VCM AVE ) 与 LM5117 反馈节点上的电压 (Vfb) 之间的关系由电阻分压器网络设置，并用公式 2 表示。

结合等式 1 和 2 并重新排列输出电流，我们可以看到输出电流是如何由从 CM 到 Vfb 的反馈电阻控制的。这如公式 3 所示。

CP编程

Rff 用于抵消 VCM AVE，因为 Vout 通过向 Vfb 注入电流而变化。在更高的输出电压下，更多的电流通过 Rff 注入 Vfb，这会降低 VCM AVE。从等式 1 中可以看出，VCM AVE控制输出电流 (Iout)，通过降低 VCM AVE，我们可以随着输出电压的增加而降低调节后的输出电流。公式 4 计算VCM AVE处的电压降低 (Voff CM ) ：

Rff 与输出电压呈线性关系，输出电压与 Iout 呈线性关系。因为我们实际上是对 Vfb 求和，所以给定输出电压范围内的功率限制将是非线性的。 

例如，考虑到 60W 功率限制和 6V 至 12V 输出电压范围的要求，我们可以计算功率级组件。建议功率级元件选择最高Iout 10A，对应最低输出电压6V，功率限制60W。根据我们的计算，我们确定 Rs = 12mΩ 和 As = 8.5。请注意，在 CS 和 CSG 处通过外部 200Ω 串联电阻降低了 LM5117 的 As。有关连接到这些引脚的串联电阻如何降低电流检测增益的更多详细信息，请参阅 LM5117 数据表。

作为起点，选择 RTop CM和 RBot CM 的值，它们将产生的最大调节输出电流是 10A 指定调节电流的 1.4 倍，该电流出现在最小输出电压下。这个建议是基于这样一个事实，即 Rff 会降低 VCM AVE，如前文所述，因此会降低 Iout。

例如，对于 6V 输出的 60W 功率限制，将 10A 乘以 1.4，产生 14A 的稳定输出电流。为 RBot CM选择 10kΩ并重新排列公式 3 以计算 ~25kΩ 的 Rtop CM。为 Rtop CM选择 25.5kΩ 的标准值。

公式 5 计算在最小 Vout 处引入的误差量，并用作 Rff 的良好起始值：

通过增加RFF在最小Vout的，你需要确保这个错误是从VCM减去AVE通过确保在VCM误差等于VCM AVE。使公式 5 等于公式 4 并重新排列 Rff，如公式 6 所示：

评估公式 6 得出 Rff = 167kΩ。为 Rff 选择 155kΩ 的标准值。使用公式 4，计算6V 输出时的Voff CM = 0.855V。

公式 7 显示了所得的 VCM AVE，它是通过从公式 2 中减去公式 4 来确定的：

对于此处给出的示例，VCM AVE =1.985V

VCM AVE控制输出电流，该电压随着输出电压的增加而降低。公式 8 显示了稳压输出电流 (Iout adj )、VCM AVE和 Voff CM之间的关系。

评估公式 8 可得出在 6V 输出时的 Iout adj = 10.053。

将公式 8 与输出电压相乘计算输出功率，如公式 9 所示：

在哪里

计算公式 10 计算出 Pout = 60.13W。

我建议使用公式 7、8 和 9 来检查给定输出电压范围的功率限制，以确保功率限制曲线适合您特定应用的需要。您可以调整 Rff 和 RTop CM来修改给定输出电压范围的功率限制曲线。

图 2 显示了使用示例中的值随电压增加的功率限制图。如前所述，CP 调节并不是精确恒定的，但本示例中的功率变化在整个工作范围内小于 ±7%。

图 2：作为输出电压函数的功率限制曲线

参见图 1，电压钳电路使用 LM4041 电压基准。LM4041 与其他参考电压相比是独一无二的，因为它的参考电压 Vfb 设置在 LM4041 的阴极和参考引脚之间，而不是阳极和参考引脚（分别以阴极和阳极参考电压参考）。这对于该特定应用是有利的，因为它在从 CP 到 CV 控制的过渡期间最大限度地减少了 Rff 和 R1 之间的相互作用。

作为阴极参考，LM4041 允许电压参考打开，而不会在转换期间引入错误。通过使用 LM4041，最终结果是当转换器从 CP 变为 CV 调节时输出电压的微小变化，这完全基于为 RTop VC和 RBot VC选择的值。

公式 11 设置电压钳位设置点：

LM5117 的 CC/CP/CV 设计

使用 LM5117 的 CC/CP/CV 转换器功率级的设计方法与基本降压转换器的设计方法相同。还可以查看 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 6V 至 12V 的 48V 输入、60W 功率限制 LM5117，输出电压限制器 (Vclamp) 设置为在 12.5V 时工作。

图 3：5V 至 12V 功率限制为 60W 且电压钳位设置为 12.5V 的示例原理图

图 4 显示了作为 Iout 函数的测得效率。

图 4：基于图 3 的降压转换器的效率

图 5 显示了作为输出电压函数的测得功率限制曲线。

图 5：功率限制配置文件

（我进一步降低了 Rff 以将功率限制保持在 60W 以下，为 Rff 选择了 150kΩ 的最终值。）

图 6 显示了作为 Iout 函数的测得输出电压。转换器的检测电阻 (Rs) 设置图表右侧的最大电流。请注意，Rs 的值会影响功率调节变化。

图 6：作为 Iout 函数的输出电压变化

图 7 显示了测量的开关节点 (CH3)、Vout 纹波 (CH1) 和输出电流 (CH4) 在 48Vin、6.6Vout 在 Iout > 8A。

图 7：稳态示波器镜头

图 8 显示了在 48V 输入电压下测得的瞬态响应，其中 Vout (CH1)、Iout (CH4) 和负载阶跃从 3.8A 到 5.7A (0.1A/µs)。

图 8：瞬态响应范围镜头

3.结论

LM5117 配置为 CC/CP/CV 转换器，通过向 CC/CV 转换器添加 Rff 电阻器，为输出电压范围提供功率限制配置文件。这种设计方法相对简单并且具有减小尺寸、成本和功率损耗的优点。