基于LM2679多路输出DC-DC变换器

摘要 发现并证明了在设计多路大电流DC-DC变换器时，如果对每个工作模块进行有效隔离可避免自激情况发生。这个发现可更好地指导设计大电流多路DC-DC变换器。文中实现了一个三路大电流DC-DC变换器，输入电压19～31 V，输出电压15 V／5 A、5 V／3 A、3．3 V／3 A。实验结果证明，文中方法达到了设计要求。
关键词 DC-DC变换器；自激；有效隔离

    单片开关电源集成电路具有高集成度、高性能价格比、最简单外围电路、最佳性能指标等特点，能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源以及非隔离式开关电源。
    许多电子设备需要提供多个相互独立的电源，如数码相机、个人数字助理、移动电话等。由于电子产品的高稳定性从而对其供电电源的稳定性也提出了更高的要求。同时为最大限度地利用电能，对转换效率也提出了更高的要求。这就需要能设计出多路输出、高效率、高稳定性的DC-DC变换器。文献中采用了单电感多输出DC-DC变换器，但对于多路大电流输出时就显得相当困难。对于大电流的多路输出本文仍采用各个DC-DC变换器独立工作。文中在以往多路DC-DC变换器的基础上进行了一定程度的拓展，通过在每个DC-DC变换器的输入级加入LC网络，主要目的是获得更高的稳定性。

1 系统结构
    基本结构如图1所示。即由3个DC-DC变换器并联输出。输入电压为19～31 V，一般由铅酸电池提供。输出的15 V、5 V、3．3 V主要给各种电子设备供电。DC-DC变换器基于LM2679而设计。图2是LM2679内部结构原理图，从图中可对其器件结构进行一定的了解。

    LM2679-ADJ的主要参数，工作效率：92％；开关频率：260 kHz；输入电压：8～40 V；最大输出电流：5A。为不让输出电压发生突变自带软启动(SOFT-START)；可通过外接电阻对输出进行过流保护(CURRENT ADJUST)。 [p]

2 主电路结构及参数设计
    图3就是BUCK的主电路模型，文中所用到的也是此种变换器，它是一种降压变换器，其输出电压平均值Vo总是小于输入电压Vin。

    设开关S的开关周期为T，在一个周期中开关S导通的时间为Ton，定义占空比为
   
    BUCK变换器通过控制开关S导通的占空比D来控制输出电压Vo的大小。
    输入电容C1，多文献中均未提及此电容的设计，但是对于由单片开关电源构成的系统由于其控制部分和开关管封装在一起。所以要注意对其进行设计，根据工作经验一般取值大小为470μF并联陶瓷电容47μF且两电容紧邻控制部分输入端。开关管S1，主要根据其输出电流大小、开关频率、输入电压来进行选择。
   
    VDS为开关管S1的耐压；ID为开关管S1的导通电流；I0为变换器输出电流。
    续流二极管D1，续流二极管使用快恢复二极管，但为了进一步降低其损耗，在电压允许的情况下最好采用肖特基二极管。其反向击穿电压大于输出电压，正向电流大于输出电流。
    滤波电感L1，滤波电感选取应满足纹波要求，所以
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    滤波电容C2，滤波电容的选取要满足输出电压纹波要求。滤波电容不是理想电容，它包含等效串联电感ESL和等效串联电阻ESR，在500 kHz以下，等效串联电感ESL可以忽略，输出的纹波在很大程度上由等效串联电阻RCO和电容值CO决定。一般对于电解电容而言，在很宽的范围内，RCO×CO的值为一常数，一般为50×10-6～80×10-6。通常取其平均值65×10-6。则等效串联电阻RCO为
   
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    以上对整个BUCK变换器的设计作了大致说明。
    设计的相应指标：
    输入电压：19～31 V
    输出电压：15 V／5 A；5 V／3 A；3．3 V／3 A
    输出电压纹波：<50 mV
    相应设计特点如下：
    为便于设计采用了国家半导体公司的集成芯片LM2679进行设计，以便在不使用时进行一步降低待机功耗，设计相应使能电路即外部不需要输出时关闭芯片输出。如图4中的Ctrl_ON。

    为保证在大电流输出时各个模块之间互不干扰，以免发生自激。在每个DC_DC模块输入端口均串有一个约1μH的磁珠，磁珠对模块中产生的高频分量且高阻抗，而对输入的直流呈低阻抗，可以对各个并联模块之间进行有效的隔离。

3 实验结果与结论
    通过对实际电路的PCB设计以及调试，并记录了相应数据及输出电压波形。表1给出了不同输入电压时整个系统的工作状况，图5～图7给出了各模块输出电压以及其输出纹波。通过对以上数据的观察，最终得到了与预期结果基本一致。

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    通过对上述实验的测试、分析得出结论：(1)设计BUCK变换器时，输入电容容值一定要选好且位置要紧邻控制芯片，以保证输出电压具有较高的负载调整率。(2)在多路并联输出的情况下，为防止多路串扰而发生自激情况，可以在每个模块的输入端串入一个1μH的小磁珠加以阻隔。(3)为进一步降低输出纹波，需要使用等效直流电阻较小的陶瓷电容，且为进一步降低输出纹波可进行多个并联使用。